netty(4)高级篇-Websocket协议开发

一、HTTP协议的弊端

将HTTP协议的主要弊端总结如下：

• (1) 半双工协议：可以在客户端和服务端2个方向上传输，但是不能同时传输。同一时刻，只能在一个方向上传输。
• (2) HTTP消息冗长：相比于其他二进制协议，有点繁琐。
• (3) 针对服务器推送的黑客攻击，例如长时间轮询。

 

现在很多网站的消息推送都是使用轮询，即客户端每隔1S或者其他时间给服务器发送请求，然后服务器返回最新的数据给客户端。HTTP协议中的Header非常冗长，因此会占用很多的带宽和服务器资源。

比较新的技术是Comet，使用了AJAX。虽然可以双向通信，但是依然需要发送请求，而且在Comet中，普遍采用了长连接，也会大量消耗服务器的带宽和资源。

为了解决这个问题，HTML5定义的WebSocket协议。

二、WebSocket协议介绍

在WebSocket API中，浏览器和服务器只需要一个握手的动作，然后，浏览器和服务器之间就形成了一条快速通道，两者就可以直接互相传送数据了。

WebSocket基于TCP双向全双工协议，即在同一时刻，即可以发送消息，也可以接收消息，相比于HTTP协议，是一个性能上的提升。

特点：

• 　　单一的TCP连接，全双工；
• 　　对代理、防火墙和路由器透明；
• 　　无头部信息、Cookie和身份验证；
• 　　无安全开销；
• 　　通过"ping/pong"帧保持链路激活;
• 　　服务器可以主动传递消息给客户端，不再需要客户端轮询；

拥有以上特点的WebSocket就是为了取代轮询和Comet技术，使得客户端浏览器具备像C/S架构下桌面系统一样的实时能力。

浏览器通过js建立一个WebSocket的请求，连接建立后，客户端和服务器端可以通过TCP直接交换数据。

因为WebSocket本质上是一个TCP连接，稳定，所以在Comet和轮询比拥有性能优势，如图所示：

 

 

三、WebSocket连接

3.1 连接建立

client端发送握手请求，请求消息如图所示：

 

• 这个请求和普通的HTTP请求不同，包含了一些附加头信息，其中附加头信息"Upgrade: Websocket"表明这是一个申请协议升级的HTTP请求。
• 服务器尝试解析这个信息，然后返回应答信息给客户端，因此客户端和服务器端的WebSocket连接就建立起来了，双方可以通过这个连接通道自由的传递信息。
• 这个连接会持续到某一方主动断开连接。

服务端的应答请求如图所示：

 

 client消息中的"Sec-WebSocket-Key"是随机的，服务器端会用这些数据来构造一个"SHA-1"的信息摘要，把"Sec-WebSocket-Key"加上一个魔幻字符串。使用"SHA-1"加密，然后进行BASE64编码，将结果作为"Sec-Webscoket-Accept"头的值。

3.2 生命周期

• 握手成功，连接建立后，以"Messages"的方式通信。
• 一个消息由一个或者多个"帧"组成。
• 帧都有自己的类型，同一消息的多个帧类型相同。
• 广义上，类型可以是文本、二进制、控制帧如信号。

 

3.3 连接关闭

• 安全方法是关闭底层TCP连接以及TLS会话。
• 底层的TCP连接，正常情况下，应该由服务器先关闭。
• 异常时(比如合理的时间内没有接收到服务器的TCP Close)，可以由客户端发起TCP Close。因此，在client发起TCP Close时，服务器应该立即发起一个TCP Close操作；客户端则等待服务器的TCP Close；
• 关闭消息带有一个状态码和可选的关闭原因，它必须按照协议要求发送一个Close控制帧。

四、协议开发

官方demo: http://netty.io/4.1/xref/io/netty/example/http/websocketx/server/package-summary.html

功能介绍：

服务器端开发：

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.Channel;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.http.HttpObjectAggregator;
import io.netty.handler.codec.http.HttpServerCodec;
import io.netty.handler.stream.ChunkedWriteHandler;

/**
 * @author lilinfeng
 * @version 1.0
 * @date 2014年2月14日
 */
public class WebSocketServer {
    public void run(int port) throws Exception {
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(bossGroup, workerGroup)
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .childHandler(new ChannelInitializer() {

                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel ch)
                                throws Exception {
                            ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
                            pipeline.addLast("http-codec",
                                    new HttpServerCodec());
                            pipeline.addLast("aggregator",
                                    new HttpObjectAggregator(65536));
                            ch.pipeline().addLast("http-chunked",
                                    new ChunkedWriteHandler());
                            pipeline.addLast("handler",
                                    new WebSocketServerHandler());
                        }
                    });

            Channel ch = b.bind(port).sync().channel();
            System.out.println("Web socket server started at port " + port
                    + '.');
            System.out
                    .println("Open your browser and navigate to http://localhost:"
                            + port + '/');

            ch.closeFuture().sync();
        } finally {
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int port = 8080;
        if (args.length > 0) {
            try {
                port = Integer.parseInt(args[0]);
            } catch (NumberFormatException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        new WebSocketServer().run(port);
    }
}

 

HttpServerCodec：将请求和应答消息解码为HTTP消息

HttpObjectAggregator：将HTTP消息的多个部分合成一条完整的HTTP消息

ChunkedWriteHandler：向客户端发送HTML5文件

看上去和HTTP协议的非常类似，下面从Handler中来寻找答案：

  1 import io.netty.buffer.ByteBuf;
  2 import io.netty.buffer.Unpooled;
  3 import io.netty.channel.ChannelFuture;
  4 import io.netty.channel.ChannelFutureListener;
  5 import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
  6 import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;
  7 import io.netty.handler.codec.http.DefaultFullHttpResponse;
  8 import io.netty.handler.codec.http.FullHttpRequest;
  9 import io.netty.handler.codec.http.FullHttpResponse;
 10 import io.netty.handler.codec.http.HttpUtil;
 11 import io.netty.handler.codec.http.websocketx.*;
 12 import io.netty.util.CharsetUtil;
 13 
 14 import java.util.logging.Level;
 15 import java.util.logging.Logger;
 16 
 17 import static io.netty.handler.codec.http.HttpResponseStatus.BAD_REQUEST;
 18 import static io.netty.handler.codec.http.HttpVersion.HTTP_1_1;
 19 
 20 /**
 21  * @author lilinfeng
 22  * @version 1.0
 23  * @date 2014年2月14日
 24  */
 25 public class WebSocketServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler