Web 实时推送技术的总结 - 好文

<>前言

随着 Web 的发展，用户对于 Web 的实时推送要求也越来越高，比如，工业运行监控、Web
在线通讯、即时报价系统、在线游戏等，都需要将后台发生的变化主动地、实时地传送到浏览器端，而不需要用户手动地刷新页面。本文对过去和现在流行的 Web
实时推送技术进行了比较与总结。

本文完整的源代码请猛戳Github博客 <https://github.com/ljianshu/Blog>，纸上得来终觉浅，建议大家动手敲敲代码。

<>一、双向通信

HTTP 协议有一个缺陷：通信只能由客户端发起。举例来说，我们想了解今天的天气，只能是客户端向服务器发出请求，服务器返回查询结果。HTTP
协议做不到服务器主动向客户端推送信息。这种单向请求的特点，注定了如果服务器有连续的状态变化，客户端要获知就非常麻烦。
在WebSocket协议之前，有三种实现双向通信的方式：轮询（polling）、长轮询（long-polling）和iframe流（streaming）。

<>1.轮询（polling）

轮询是客户端和服务器之间会一直进行连接，每隔一段时间就询问一次。其缺点也很明显：连接数会很多，一个接受，一个发送。而且
每次发送请求都会有Http的Header，会很耗流量，也会消耗CPU的利用率。

* 优点：实现简单，无需做过多的更改
* 缺点：轮询的间隔过长，会导致用户不能及时接收到更新的数据；轮询的间隔过短，会导致查询请求过多，增加服务器端的负担 // 1.html <div
id="clock"></div> <script> let clockDiv = document.getElementById('clock');
setInterval(function(){ let xhr = new XMLHttpRequest;
xhr.open('GET','/clock',true); xhr.onreadystatechange = function(){
if(xhr.readyState == 4 && xhr.status == 200){ console.log(xhr.responseText);
clockDiv.innerHTML = xhr.responseText; } } xhr.send(); },1000); </script> //轮询
服务端 let express = require('express'); let app = express();
app.use(express.static(__dirname)); app.get('/clock',function(req,res){
res.end(new Date().toLocaleString()); }); app.listen(8080);
启动本地服务，打开http://localhost:8080/1.html,得到如下结果：

<>2.长轮询（long-polling）

长轮询是对轮询的改进版，客户端发送HTTP给服务器之后，看有没有新消息，如果没有新消息，就一直等待。当有新消息的时候，才会返回给客户端。在某种程度上减小了网络带宽和CPU利用率等问题。由于http数据包的头部数据量往往很大（通常有400多个字节），但是真正被服务器需要的数据却很少（有时只有10个字节左右），这样的数据包在网络上周期性的传输，难免
对网络带宽是一种浪费。

* 优点：比 Polling 做了优化，有较好的时效性
* 缺点：保持连接会消耗资源; 服务器没有返回有效数据，程序超时。 // 2.html 服务端代码同上 <div id="clock"></div>
<script> let clockDiv = document.getElementById('clock') function send() { let
xhr = new XMLHttpRequest() xhr.open('GET', '/clock', true) xhr.timeout = 2000
// 超时时间，单位是毫秒 xhr.onreadystatechange = function() { if (xhr.readyState == 4) {
if (xhr.status == 200) { //如果返回成功了，则显示结果 clockDiv.innerHTML = xhr.responseText
} send() //不管成功还是失败都会发下一次请求 } } xhr.ontimeout = function() { send() }
xhr.send() } send() </script>
<>3.iframe流（streaming）

iframe流方式是在页面中插入一个隐藏的iframe，利用其src属性在服务器和客户端之间创建一条长连接，服务器向iframe传输数据（通常是HTML，内有负责插入信息的javascript），来实时更新页面。

* 优点：消息能够实时到达；浏览器兼容好
* 缺点：服务器维护一个长连接会增加开销；IE、chrome、Firefox会显示加载没有完成，图标会不停旋转。 // 3.html <body>
<div id="clock"></div> <iframe src="/clock" style="display:none"></iframe>
</body> //iframe流 let express = require('express') let app = express()
app.use(express.static(__dirname)) app.get('/clock', function(req, res) {
setInterval(function() { let date = new Date().toLocaleString() res.write(`
<script type="text/javascript">
parent.document.getElementById('clock').innerHTML = "${date}";//改变父窗口dom元素
</script> `) }, 1000) }) app.listen(8080)
启动本地服务，打开http://localhost:8080/3.html,得到如下结果：

上述代码中，客户端只请求一次，然而服务端却是源源不断向客户端发送数据，这样服务器维护一个长连接会增加开销。

以上我们介绍了三种实时推送技术，然而各自的缺点很明显，使用起来并不理想，接下来我们着重介绍另一种技术–websocket,它是比较理想的双向通信技术。

<>二、WebSocket

<>1.什么是websocket

WebSocket是一种全新的协议，随着HTML5草案的不断完善，越来越多的现代浏览器开始全面支持WebSocket技术了，它将TCP的Socket（套接字）应用在了webpage上，从而使通信双方建立起一个保持在活动状态连接通道。

一旦Web服务器与客户端之间建立起WebSocket协议的通信连接，之后所有的通信都依靠这个专用协议进行。通信过程中可互相发送JSON、XML、HTML或图片等任意格式的数据。
由于是建立在HTTP基础上的协议，因此连接的发起方仍是客户端，而一旦确立WebSocket通信连接，不论服务器还是客户端，任意一方都可直接向对方发送报文。

初次接触 WebSocket 的人，都会问同样的问题：我们已经有了 HTTP 协议，为什么还需要另一个协议？

<>2.HTTP的局限性

* HTTP是半双工协议，也就是说，在同一时刻数据只能单向流动，客户端向服务器发送请求(单向的)，然后服务器响应请求(单向的)。
* 服务器不能主动推送数据给浏览器。这就会导致一些高级功能难以实现，诸如聊天室场景就没法实现。
<>3.WebSocket的特点

* 支持双向通信，实时性更强
* 可以发送文本，也可以发送二进制数据
*
减少通信量：只要建立起WebSocket连接，就希望一直保持连接状态。和HTTP相比，不但每次连接时的总开销减少，而且由于WebSocket的首部信息很小，通信量也相应减少了

相对于传统的HTTP每次请求-应答都需要客户端与服务端建立连接的模式，WebSocket是类似Socket的TCP长连接的通讯模式，一旦WebSocket连接建立后，后续数据都以帧序列的形式传输。在客户端断开WebSocket连接或Server端断掉连接前，不需要客户端和服务端重新发起连接请求。
在海量并发和客户端与服务器交互负载流量大的情况下，极大的节省了网络带宽资源的消耗，有明显的性能优势，且客户端发送和接受消息是在同一个持久连接上发起，实时性优势明显
。

接下来我看下websocket如何实现客户端与服务端双向通信：
// websocket.html <div id="clock"></div> <script> let clockDiv =
document.getElementById('clock') let socket = new
WebSocket('ws://localhost:9999') //当连接成功之后就会执行回调函数 socket.onopen = function() {
console.log('客户端连接成功') //再向服务器发送一个消息 socket.send('hello') //客户端发的消息内容为hello }
//绑定事件是用加属性的方式 socket.onmessage = function(event) { clockDiv.innerHTML =
event.data console.log('收到服务器端的响应', event.data) } </script> // websocket.js let
express = require('express') let app = express()
app.use(express.static(__dirname)) //http服务器 app.listen(3000) let
WebSocketServer = require('ws').Server //用ws模块启动一个websocket服务器,监听了9999端口 let
wsServer = new WebSocketServer({ port: 9999 }) //监听客户端的连接请求
当客户端连接服务器的时候，就会触发connection事件 //socket代表一个客户端,不是所有客户端共享的，而是每个客户端都有一个socket
wsServer.on('connection', function(socket) { //每一个socket都有一个唯一的ID属性
console.log(socket) console.log('客户端连接成功') //监听对方发过来的消息 socket.on('message',
function(message) { console.log('接收到客户端的消息', message) socket.send('服务器回应:' +
message) }) })
启动本地服务，打开http://localhost:3000/websocket.html,得到如下结果：

<>三、Web 实时推送技术的比较

方式类型技术实现优点缺点适用场景
轮询Polling client→server 客户端循环请求 1、实现简单 2、支持跨域 1、浪费带宽和服务器资源 2、
一次请求信息大半是无用（完整http头信息） 3、有延迟 4、大部分无效请求适于小型应用
长轮询Long-Polling client→server 服务器hold住连接，一直到有数据或者超时才返回，减少重复请求次数 1、实现简单
2、不会频繁发请求 3、节省流量 4、延迟低 1、服务器hold住连接，会消耗资源 2、一次请求信息大半是无用 WebQQ、Hi网页版、Facebook IM
长连接iframe client→server 在页面里嵌入一个隐蔵iframe，将这个 iframe 的 src
属性设为对一个长连接的请求，服务器端就能源源不断地往客户端输入数据。 1、数据实时送达 2、不发无用请求，一次链接，多次“推送” 1、服务器增加开销
2、无法准确知道连接状态 3、IE、chrome等一直会处于loading状态 Gmail聊天
WebSocket server⇌client new WebSocket() 1、支持双向通信，实时性更强 2、可发送二进制文件3、减少通信量
1、浏览器支持程度不一致 2、不支持断开重连网络游戏、银行交互和支付

综上所述：Websocket协议不仅解决了HTTP协议中服务端的被动性，即通信只能由客户端发起，也解决了数据同步有延迟的问题，同时还带来了明显的性能优势，所以websocket
是Web 实时推送技术的比较理想的方案，但如果要兼容低版本浏览器，可以考虑用轮询来实现。

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<>参考文章

* WebSocket 教程 <http://www.ruanyifeng.com/blog/2017/05/websocket.html>
* 珠峰前端架构课 <http://video.zhufengpeixun.cn/>
* Web 实时推送技术的总结 <https://waylau.com/web-real-time-push-technology/>
* WebSocket（1）：服务端“实时推送”的演变 <https://github.com/kaola-fed/blog/issues/277>
* 长连接/websocket/SSE等主流服务器推送技术比较 <https://zhuanlan.zhihu.com/p/31297574>

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