网页端IM通信技术快速入门：短轮询、长轮询、SSE、WebSocket
本文来自“糊糊糊糊糊了”的分享，原题《实时消息推送整理》，有优化和改动。
1、写在前面
对Web端即时通讯技术熟悉的开发者来说，我们回顾网页端IM的底层通信技术，从短轮询、长轮询，到后来的SSE以及WebSocket，使用门槛越来越低（早期的长轮询Comet这类技术实际属于hack手段，使用门槛并不低），技术手段越来越先进，网页端即时通讯技术的体验也因此越来越好。
但上周在编辑《IM扫码登录技术专题》系列文章第3篇的时候忽然想到，之前的这些所谓的网页端即时通讯“老技术”相对于当红的WebSocket，并非毫无用武之地。就拿IM里的扫码登录功能来说，用短轮询技术就非常合适，完全没必要大炮打蚊子上WebSocket。
所以，很多时候没必要盲目追求新技术，相对应用场景来说适合的才是最好的。对于即时通讯网的im和消息推送这类即时通讯技术开发者来说，掌握WebSocket固然很重要，但了解短轮询、长轮询等这些所谓的Web端即时通讯“老技术”仍然大有裨益，这也正是整理分享本文的重要原因。
学习交流：
- 即时通讯/推送技术开发交流5群：215477170 [推荐]
- 移动端IM开发入门文章：《新手入门一篇就够：从零开发移动端IM》
- 开源IM框架源码：https://github.com/JackJiang2011/MobileIMSDK
（本文同步发布于：http://www.52im.net/thread-3555-1-1.html）
2、推荐阅读
[1] 新手入门贴：史上最全Web端即时通讯技术原理详解
[2] 详解Web端通信方式的演进：从Ajax、JSONP 到 SSE、Websocket
[3] Web端即时通讯技术盘点：短轮询、Comet、Websocket、SSE
3、正文引言
对于IM/消息推送这类即时通讯系统而言，系统的关键就是“实时通信”能力。
从表面意思上来看，“实时通信”指的是：
- 1）客户端能随时主动发送数据给服务端；
- 2）当客户端关注的内容在发生改变时，服务器能够实时地通知客户端。
类比于传统的C/S请求模型，“实时通信”时客户端不需要主观地发送请求去获取自己关心的内容，而是由服务器端进行“推送”。
注意：上面的“推送”二字打了引号，实际上现有的几种技术实现方式中，并不是服务器端真正主动地推送，而是通过一定的手段营造了一种“实时通信”的假象。
就目前现有的几种技术而言，主要有以下几类：
- 1）客户端轮询：传统意义上的短轮询（Short Polling）；
- 2）服务器端轮询：长轮询（Long Polling）；
- 3）单向服务器推送：Server-Sent Events（SSE）；
- 4）全双工通信：WebSocket。
以下正文将针对这几种技术方案，为你一一解惑。
4、本文配套Demo和代码
为了帮助读者更好的理解本文内容，笔者专门写了一个较完整的Demo，Demo会以一个简易聊天室的例子来分别通过上述的四种技术方式实现（代码存在些许bug，主要是为了做演示用，别介意）。
完整Demo源码打包下载：
（请从同步链接附件中下载：http://www.52im.net/thread-3555-1-1.html）
Demo的运行效果（动图）：
有兴趣可以自行下载研究学习。
5、理解短轮询（Short Polling）
短轮询的实现原理：
- 1）客户端向服务器端发送一个请求，服务器返回数据，然后客户端根据服务器端返回的数据进行处理；
- 2）客户端继续向服务器端发送请求，继续重复以上的步骤，如果不想给服务器端太大的压力，一般情况下会设置一个请求的时间间隔。
逻辑如下图所示：
使用短轮询的优点：基础不需要额外的开发成本，请求数据，解析数据，作出响应，仅此而已，然后不断重复。
缺点也显而易见：
- 1）不断的发送和关闭请求，对服务器的压力会比较大，因为本身开启Http连接就是一件比较耗资源的事情；
- 2）轮询的时间间隔不好控制。如果要求的实时性比较高，显然使用短轮询会有明显的短板，如果设置interval的间隔过长，会导致消息延迟，而如果太短，会对服务器产生压力。
短轮询客户的代码实现（片段节选）：
var ShortPollingNotification = {
datasInterval: null,
subscribe: function() {
this.datasInterval = setInterval(function() {
Request.getDatas().then(function(res) {
window.ChatroomDOM.renderData(res);
});
}, TIMEOUT);
return this.unsubscribe;
},
unsubscribe: function() {
this.datasInterval && clearInterval(this.datasInterval);
}
}
PS：完整代码，请见本文“4、本文配套Demo和代码”一节。
对应本文配套Demo的运行效果如下（动图）：
下面是对应的请求，注意左下角的请求数量一直在变化：
在上图中，每隔1s就会发送一个请求，看起来效果还不错，但是如果将timeout的值设置成5s，效果将大打折扣。如下图所示。
将timeout值设置成5s时的Demo运行效果（动图）：
6、理解长轮询(Long Polling)
6.1 基本原理
长轮询的基本原理：
- 1）客户端发送一个请求，服务器会hold住这个请求；
- 2）直到监听的内容有改变，才会返回数据，断开连接（或者在一定的时间内，请求还得不到返回，就会因为超时自动断开连接）；
- 3）客户端继续发送请求，重复以上步骤。
逻辑如下图所示：
长轮询是基于短轮询上的改进版本：主要是减少了客户端发起Http连接的开销，改成了在服务器端主动地去判断所关心的内容是否变化。
所以其实轮询的本质并没有多大变化，变化的点在于：
- 1）对于内容变化的轮询由客户端改成了服务器端（客户端会在连接中断之后，会再次发送请求，对比短轮询来说，大大减少了发起连接的次数）；
- 2）客户端只会在数据改变时去作相应的改变，对比短轮询来说，并不是全盘接收。
6.2 代码实现
长轮询客户的代码实现（片段节选）：
// 客户端
var LongPollingNotification = {
// ....
subscribe: function() {
var that = this;
// 设置超时时间
Request.getV2Datas(this.getKey(),{ timeout: 10000 }).then(function(res) {
var data = res.data;
window.ChatroomDOM.renderData(res);
// 成功获取数据后会再次发送请求
that.subscribe();
}).catch(function(error) {
// timeout 之后也会再次发送请求
that.subscribe();
});
return this.unsubscribe;
}
// ....
}
笔者采用的是express，默认不支持hold住请求，因此用了一个express-longpoll的库来实现。
下面是一个原生不用库的实现（这里只是介绍原理），整体的思路是：如果服务器端支持hold住请求的话，那么在一定的时间内会自轮询，然后期间通过比较key值，判断是否返回新数据。
以下是具体思路：
- 1）客户端第一次会带一个空的key值，这次会立即返回，获取新内容，服务器端将计算出的contentKey返回给客户端；
- 2）然后客户端发送第二次请求，带上第一次返回的contentKey作为key值，然后进行下一轮的比较；
- 3）如果两次的key值相同，就会hold请求，进行内部轮询，如果期间有新内容或者客户端timeout，就会断开连接；
- 4）重复以上步骤。
代码如下：
// 服务器端
router.get('/v2/datas', function(req, res) {
const key = _.get(req.query, 'key', '');
let contentKey = chatRoom.getContentKey();
while(key === contentKey) {
sleep.sleep(5);
contentKey = chatRoom.getContentKey();
}
const connectors = chatRoom.getConnectors();
const messages = chatRoom.getMessages();
res.json({
code: 200,
data: { connectors: connectors, messages: messages, key: contentKey },
});
});
以下是用 express-longpoll的实现片段：
// mini-chatroom/public/javascripts/server/longPolling.js
function pushDataToClient(key, longpoll) {
var contentKey = chatRoom.getContentKey();
if(key !== contentKey) {
var connectors = chatRoom.getConnectors();
var messages = chatRoom.getMessages();
long poll.publish(
'/v2/datas',
{
code: 200,
data: {connectors: connectors, messages: messages, key: contentKey},
}
);
}
}
long poll.create("/v2/datas", function(req, res, next) {
key = _.get(req.query, 'key', '');
pushDataToClient(key, longpoll);
next();
});
intervalId = setInterval(function() {
pushDataToClient(key, longpoll);
}, LONG_POLLING_TIMEOUT);
PS：完整代码，请见本文“4、本文配套Demo和代码”一节。
为了方便演示，我将客户端发起请求的timeout改成了4s，注意观察下面的截图：
可以看到，断开连接的两种方式，要么是超时，要么是请求有数据返回。
6.3 基于iframe的长轮询模式
这是长轮询技术的另一个种实现方案。
该方案的具体的原理为：
- 1）在页面中嵌入一个iframe，地址指向轮询的服务器地址，然后在父页面中放置一个执行函数，比如execute(data)；
- 2）当服务器有内容改变时，会向iframe发送一个脚本；
- 3）通过发送的脚本，主动执行父页面中的方法，达到推送的效果。
因不篇幅原因，在此不作深入介绍，有兴趣的同学可以详读《新手入门贴：史上最全Web端即时通讯技术原理详解》一文中的“3.3.2 基于iframe的数据流”一节。
7、什么是Server-Sent Events（SSE）
7.1 基本介绍
从纯技术的角度讲：上两节介绍的短轮询和长轮询技术，服务器端是无法主动给客户端推送消息的，都是客户端主动去请求服务器端获取最新的数据。
本节要介绍的SSE是一种可以主动从服务端推送消息的技术。
SSE的本质其实就是一个HTTP的长连接，只不过它给客户端发送的不是一次性的数据包，而是一个stream流，格式为text/event-stream。所以客户端不会关闭连接，会一直等着服务器发过来的新的数据流，视频播放就是这样的例子。
简单来说，SSE就是：
- 1）SSE 使用 HTTP 协议，现有的服务器软件都支持。WebSocket 是一个独立协议。
- 2）SSE 属于轻量级，使用简单；WebSocket 协议相对复杂。
- 3）SSE 默认支持断线重连，WebSocket 需要自己实现。
- 4）SSE 一般只用来传送文本，二进制数据需要编码后传送，WebSocket 默认支持传送二进制数据。
- 5）SSE 支持自定义发送的消息类型。
SSE的技术原理如下图所示：
SSE基本的使用方法，可以参看 SSE 的API文档，地址是：https://developer.mozilla.org/en ... _server-sent_events。
目前除了IE以及低版本的浏览器不支持，绝大多数的现代浏览器都支持SSE：
（上图来自：https://caniuse.com/?search=Server-Sent-Events）
7.2 代码实现
// 客户端
var SSENotification = {
source: null,
subscribe: function() {
if('EventSource'inwindow) {
this.source = newEventSource('/sse');
this.source.addEventListener('message', function(res) {
const d = res.data;
window.ChatroomDOM.renderData(JSON.parse(d));
});
}
return this.unsubscribe;
},
unsubscribe: function() {
this.source && this.source.close();
}
}
// 服务器端
router.get('/sse', function(req, res) {
const connectors = chatRoom.getConnectors();
const messages = chatRoom.getMessages();
const response = { code: 200, data: { connectors: connectors, messages: messages } };
res.writeHead(200, {
"Content-Type":"text/event-stream",
"Cache-Control":"no-cache",
"Connection":"keep-alive",
"Access-Control-Allow-Origin": '*',
});
res.write("retry: 10000\n");
res.write("data: "+ JSON.stringify(response) + "\n\n");
var unsubscribe = Event.subscribe(function() {
const connectors = chatRoom.getConnectors();
const messages = chatRoom.getMessages();
const response = { code: 200, data: { connectors: connectors, messages: messages } };
res.write("data: "+ JSON.stringify(response) + "\n\n");
});
req.connection.addListener("close", function() {
unsubscribe();
}, false);
});
下面是控制台的情况，注意观察响应类型：
详情中注意查看请求类型，以及EventStream消息类型：
PS：有关SSE更详尽的资料就不在这里展开了，有兴趣的同学可以详读《SSE技术详解：一种全新的HTML5服务器推送事件技术》、《使用WebSocket和SSE技术实现Web端消息推送》。
8、什么是WebSocket
8.1 基本介绍
PS：本小节内容引用自《Web端即时通讯实践干货：如何让WebSocket断网重连更快速？》一文的“3、快速了解WebSocket”。
WebSocket诞生于2008年，在2011年成为国际标准，现在所有的浏览器都已支持（详见《新手快速入门：WebSocket简明教程》）。它是一种全新的应用层协议，是专门为web客户端和服务端设计的真正的全双工通信协议，可以类比HTTP协议来了解websocket协议。
（图片引用自《WebSocket详解（四）：刨根问底HTTP与WebSocket的关系(上篇)》）
它们的不同点：
- 1）HTTP的协议标识符是http，WebSocket的是ws；
- 2）HTTP请求只能由客户端发起，服务器无法主动向客户端推送消息，而WebSocket可以；
- 3）HTTP请求有同源限制，不同源之间通信需要跨域，而WebSocket没有同源限制。
它们的相同点：
- 1）都是应用层的通信协议；
- 2）默认端口一样，都是80或443；
- 3）都可以用于浏览器和服务器间的通信；
- 4）都基于TCP协议。
两者和TCP的关系图：
（图片引用自《新手快速入门：WebSocket简明教程》）
有关Http和WebSocket的关系，可以详读：
《WebSocket详解（四）：刨根问底HTTP与WebSocket的关系(上篇)》
《WebSocket详解（五）：刨根问底HTTP与WebSocket的关系(下篇)》
有关WebSocket和Socket的关系，可以详读：《WebSocket详解（六）：刨根问底WebSocket与Socket的关系》.
8.2 技术特征
WebSocket技术特征总结下就是：
- 1）可双向通信，设计的目的主要是为了减少传统轮询时http连接数量的开销；
- 2）建立在TCP协议之上，握手阶段采用 HTTP 协议，因此握手时不容易屏蔽，能通过各种 HTTP 代理服务器；
- 3）与HTTP兼容性良好，同样可以使用80和443端口；
- 4）没有同源限制，客户端可以与任意服务器通信；
- 5）可以发送文本，也可以发送二进制数据；
- 6）协议标识符是ws（如果加密，则为wss），服务器网址就是 URL.
WebSocket的技术原理如下图所示：
关于WebSocket API方面的知识，这里不再作讲解，可以自己查阅：https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/WebSocket
8.3 浏览器兼容性
WebSocket兼容性良好，基本支持所有现代浏览器。
（上图来自：https://caniuse.com/mdn-api_websocket）
8.4 代码实现
笔者这里采用的是socket.io，是基于WebSocket的封装，提供了客户端以及服务器端的支持。
// 客户端
var WebsocketNotification = {
// ...
subscribe: function(args) {
var connector = args[1];
this.socket = io();
this.socket.emit('register', connector);
this.socket.on('register done', function() {
window.ChatroomDOM.renderAfterRegister();
});
this.socket.on('data', function(res) {
window.ChatroomDOM.renderData(res);
});
this.socket.on('disconnect', function() {
window.ChatroomDOM.renderAfterLogout();
});
}
// ...
}
// 服务器端
var io = socketIo(httpServer);
io.on('connection', (socket) => {
socket.on('register', function(connector) {
chatRoom.onConnect(connector);
io.emit('register done');
var data = chatRoom.getDatas();
io.emit('data', { data });
});
socket.on('chat', function(message) {
chatRoom.receive(message);
var data = chatRoom.getDatas();
io.emit('data', { data });
});
});
PS：完整代码，请见本文“4、本文配套Demo和代码”一节。
响应格式如下：
8.5 深入学习
随着HTML5的普及率越来越高，WebSocket的应用也越来越普及，关于WebSocket的学习资料网上很容易找到，限于篇幅本文就不深入展开这个话题。
如果想进一步深入学习WebSocket的方方面面，以下文章值得一读：
《新手快速入门：WebSocket简明教程》
《WebSocket详解（一）：初步认识WebSocket技术》
《WebSocket详解（二）：技术原理、代码演示和应用案例》
《WebSocket详解（三）：深入WebSocket通信协议细节》
《WebSocket详解（四）：刨根问底HTTP与WebSocket的关系(上篇)》
《WebSocket详解（五）：刨根问底HTTP与WebSocket的关系(下篇)》
《WebSocket详解（六）：刨根问底WebSocket与Socket的关系》
《理论联系实际：从零理解WebSocket的通信原理、协议格式、安全性》
《微信小程序中如何使用WebSocket实现长连接(含完整源码)》
《八问WebSocket协议：为你快速解答WebSocket热门疑问》
《Web端即时通讯实践干货：如何让你的WebSocket断网重连更快速？》
《WebSocket从入门到精通，半小时就够！》
《WebSocket硬核入门：200行代码，教你徒手撸一个WebSocket服务器》
《长连接网关技术专题(四)：爱奇艺WebSocket实时推送网关技术实践》
9、本文小结
短轮询、长轮询实现成本相对比较简单，适用于一些实时性要求不高的消息推送，在实时性要求高的场景下，会存在延迟以及会给服务器带来更大的压力。
SSE只能是服务器端推送消息，因此对于不需要双向通信的项目比较适用。
WebSocket目前而言实现成本相对较低，适合于双工通信，对于多人在线，要求实时性较高的项目比较实用。
本文已同步发布于“即时通讯技术圈”公众号。
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