HTML 5 Web Socket：下一次Web通信革命揭幕

HTML 5 Web Socket：下一次Web通信革命揭幕

Source：http://developer.51cto.com/art/201003/189261.htm

【51CTO译文】关于HTML 5的各种前沿技术应用51CTO已经报道过很多，比如HTML 5的视频音频元素、HTML 5 Web SQL Database、HTML5 File API以及如何从零开始构建一个HTML 5页面等等。这些都是HTML 5对当前Web开发标准技术的升级或扩展。今天，51CTO带您了解HTML 5的另一面——HTML 5 Web Socket，以及它对当前Web通信的改变。

最近关于HTML 5 Web Socket的流言已经满天飞，它通过Web上的一个单一Socket定义了一个全双工通信信道，HTML 5 Web Socket并不是普通HTTP通信的增强版，它代表着一个巨大的进步，特别是针对实时的、事件驱动的Web应用程序。

Google的工程师Ian Hickson说“数据的字节数急剧减少到2字节，延迟从150毫秒减少到50毫秒，实际上，这两个因素已经足以引起Google的兴趣了”。通过在一个浏览器中模拟全双工连接，HTML 5 Web Socket对Web通信带来了显著的改善。

让我们与传统的解决方案相比，看看HTML 5 Web Socket是如何减少不必要的网络流量和延迟的。

当前的Web通信——头疼的轮询(Polling)

通常，当浏览器访问一个网页时，会向托管该网页的Web服务器发送一个HTTP请求，Web服务器识别这一请求，并返回响应。例如，股票价格，新闻报道，门票销售，流量模式，医疗设备读数等，在浏览器渲染页面时，响应可能会过期，如果你想获得最新的“实时”信息，你可以不断地手动刷新页面，但显然这不是最好的办法。

目前提供的实时Web程序主要是围绕轮询和其它服务器端推送技术进行的，最著名的是Comnet，它推迟了HTTP响应的结束，基于Comnet的推送通常是使用JavaScript结合长轮询(Long Polling)或流连接策略实现的。

使用轮询时，浏览器定期发送HTTP请求，并立即收到响应，这种技术是交付实时信息的第一次尝试，显然，如果知道消息传递的时间间隔，这算是一个好办法，因为你可以在服务器上的信息可用时同步客户端请求，但实时数据往往是不可预测的，不可避免会产生一些不必要的请求，导致许多连接处于打开状态，有些不必关闭的连接却被关闭了。

使用长轮询时，浏览器向服务器发送一个请求，服务器在既定期限内保持请求处于打开状态，如果在此期间收到通知，向客户端发送一个包含消息的响应，如果在此期间没有收到消息，服务器发送一个响应终止打开的请求。最重要的是要理解，当你的信息容量很高时，长轮询与传统的轮询相比不提供任何性能改善。实际上，它可能更糟，因为长轮询可能会失控进入一个死循环。

使用流时，浏览器发送一个完整的请求，但服务器发送一个响应，并保存打开状态，然后不断更新使其一直保持打开（或在一段时间内保持打开），无论何时消息准备好发送时，响应就更新，但服务器不会发送一个结束的响应，因此连接就一直保持打开状态，后面发送的消息就可以继续使用这个连接。但流仍然是封装在HTTP中的，阻扰了防火墙和代理服务器选择缓冲区中的内容进行响应，因此消息传递的时间就延长了。许多流式Comnet解决方案都转向了长轮询，另外，TLS（SSL）连接可以用来屏蔽来自缓冲区的响应，但在这种情况下，每个连接消耗的服务器资源更多了。

最终，所有这些方法都提供了实时数据，包含HTTP请求和响应头，其中包含许多额外的，不必要的头数据，最重要的是，全双工连接需要的不仅仅是从服务器到客户端的下行连接。为了模拟基于半双工HTTP上的全双工通信，目前的许多解决方案都使用了两个连接：一个下行连接，一个上行连接。维护和协调这两个连接需要大量的系统开销，并增加了复杂性。简言之，HTTP不是为实时的，全双工通信设计的，如图1所示，它显示了构建一个Comnet Web应用程序的复杂性，它从后端数据源使用发布/订阅模式基于半双工HTTP显示实时数据。

 
图 1：Comnet程序的复杂性

当你试图向外扩展那些Comet解决方案时，情况变得更糟糕，模拟基于HTTP的双向通信容易出错，即使最终用户感觉某些东西看起来象是一个实时Web应用程序，但这种“实时”体验的代价都是非常高昂的，需要付出更多的延迟等待时间，不必要的网络流量和对CPU性能的拖累。

HTML 5 Web Socket——拯救

HTML 5 Web Socket定义在HTML 5规范的通信章节，它代表Web通信的下一个演变：通过一个单一的Socket实现一个全双工，双向通信的信道。HTML 5 Web Socket提供了一个真正的标准，你可以使用它构建可扩展的实时Web应用程序。此外，由于它提供了一个浏览器自带的套接字，消除了Comet解决方案的许多问题，Web Socket显著降低了系统开销和复杂性。

为了建立一个Web Socket连接，客户端和服务器在初始握手期间要从HTTP协议升级到WebSocket协议，如下面的例子：

例1：WebSocket握手（浏览器请求，服务器响应）

GET /text HTTP/1.1\r\n
Upgrade: WebSocket\r\n
Connection: Upgrade\r\n
Host: www.websocket.org\r\n
...\r\n
HTTP/1.1 101 WebSocket Protocol Handshake\r\n
Upgrade: WebSocket\r\n
Connection: Upgrade\r\n
...\r\n

建立好连接后，WebSocket数据帧就可以在客户端和服务器之间以全双工模式传输，在同一时间任何方向，可以全双工发送文本和二进制帧，最小的帧只有2个字节。在文本帧中，每一帧始于0x00直接，止于0xFF字节，数据使用UTF-8编码。WebSocket文本帧使用终结器，而二进制帧使用一个长度前缀。

注意：虽然WebSocket协议已经可以支持多种客户端，但不能将原始数据传递给JavaScript，因为JavaScript不支持字节类型，因此，如果客户端是JavaScript，二进制数据会被忽略，但可以传递给支持字节类型的客户端。

Comet和HTML 5 Web Socket之间的对决

人们最关注的是HTML 5 Web Socket如何减少不必要的网络流量和延迟，我们比较一个轮询应用程序和Web Socket应用程序就知道了。

对于轮询的例子，我创建了一个简单的Web应用程序，一个网页使用传统的发布/订阅模式从RabbitMQ消息代理请求实时的股票数据，它是通过轮询一个托管在Web服务器上的Java Servlet实现的，RabbitMQ消息代理从一个虚构的，不断更新价格的股票价格源接收数据，网页连接并订阅一个特定的股票频道（消息代理上的一个主题），使用XMLHttpRequest每秒更新一次进行轮询。当收到更新时，执行一些计算，然后将股票数据显示在图2所示的表中。

 
图 2：一个JavaScript股票行情应用程序

注意：后端的股票源每秒实际上产生了大量的股票价格更新，因此使用每秒一次轮询的方式比使用长轮询方式更好，长轮询会产生许多连续的轮询，轮询会更有效地阻止传入更新。

这一切看起来还不错，但仔细观察，你就会发现这种应用程序存在严重的问题，例如，使用Firefox的Firebug插件（允许你调试网页和监控页面加载和脚本执行时间），你可以看到每秒都有一个GET请求砸向服务器。打开Live HTTP Headers（另一个Firefox 插件，显示实时的HTTP消息头流量）揭示每个请求关联的消息头开销数量是相当惊人的。下面两个例子显示了一个请求和响应的HTTP消息头数据。

例2：HTTP请求头

GET /PollingStock//PollingStock HTTP/1.1
Host: localhost:8080
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows; U; Windows NT 5.1; en-US; rv:1.9.1.5) Gecko/20091102 Firefox/3.5.5
 Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
Accept-Language: en-us
Accept-Encoding: gzip,deflate
 Accept-Charset: ISO-8859-1,utf-8;q=0.7,*;q=0.7
Keep-Alive: 300
Connection: keep-alive
Referer: http://www.example.com/PollingStock/
 Cookie: showInheritedConstant=false; showInheritedProtectedConstant=false; showInheritedProperty=false; showInheritedProtectedProperty=false; showInheritedMethod=false; showInheritedProtectedMethod=false; showInheritedEvent=false; showInheritedStyle=false; showInheritedEffect=false

例3：HTTP响应头

HTTP/1.x 200 OK
X-Powered-By: Servlet/2.5
Server: Sun Java System Application Server 9.1_02
 Content-Type: text/html;charset=UTF-8
Content-Length: 21
Date: Sat, 07 Nov 2009 00:32:46 GMT

HTTP请求和响应头信息开销总共包括871字节，而且还不包括任何数据，当然，这只是一个例子，你的消息头数据完全可能低于871字节，但我也看到过消息头数据超过2000字节的情况。在这个例子中，股票主题消息数据大约只有20个字符。

当你把这样的程序大规模部署给用户时会怎么样？我们使用三个不同的用例观察一下该轮询应用程序关联的HTTP请求和响应头数据需要的网络吞吐量。

用例A：1000客户端，每秒轮询一次
网络吞吐量（871x1000）=871000字节=6968000比特/秒（6.6Mbps）

用例B：10000客户端，每秒轮询一次
网络吞吐量（871x10000）=8710000字节=69680000比特/秒（66Mbps）

用例C：100000客户端，每秒轮询一次
网络吞吐量（871x100000）=87100000字节=696800000比特/秒（665Mbps）

这是一个不必要的巨大的网络吞吐量，这时我们可以使用HTML 5 Web Socket，我使用HTML 5 Web Socket重构了应用程序，给网页添加了一个事件处理程序，同步监听来自消息代理的股票更新消息。每个消息都是一个Web Socket帧，开销只有2个字节（而不是871字节），再来看看对网络吞吐量的影响。

用例A：1000客户端，每秒轮询一次
网络吞吐量（2x1000）=2000字节=16000比特/秒（0.015Mbps）

用例B：10000客户端，每秒轮询一次
网络吞吐量（2x10000）=20000字节=160000比特/秒（0.153Mbps）

用例C：100000客户端，每秒轮询一次
网络吞吐量（2x100000）=200000字节=1600000比特/秒（1.526Mbps）

正如你在图3中可以看到的，与轮询解决方案相比，HTML 5 Web Socket减少了不必要的网络流量。

 

 
图 3：比较轮询和WebSocket应用程序之间的网络吞吐量

延迟减少怎么样呢？看看图4便知，图中上半部分显示了半双工轮询方案的延迟，这里我们假设消息从服务器传输到浏览器需要50毫秒，轮询方式引入许多额外的延迟，因为当响应完成时，一个新的请求已经发送到服务器了，这个新请求又需要50毫秒，在此期间服务器不能发送任何消息给浏览器，导致额外的服务器内存消耗。

图4下半部分显示了Web Socket方式产生的延迟，一旦连接升级到Web Socket，消息的传输会更及时，从服务器传输到浏览器仍然需要50毫秒，但Web Socket连接保持打开，之后就再也不用向服务器发送请求了。

 
图 4：轮询和Web Socket应用程序之间的延迟对比

HTML5 Web Socket和Kaazing WebSocket网关

目前，只有Google的Chrome浏览器原生支持HTML 5 Web Socket，但其它浏览器也将提供支持，若要解决这个限制，Kaazing Web Socket网关为所有旧浏览器（IE 5.5+，Firefox 1.5+，Safari 3.0+和Opera 9.5+）提供了一个完整的Web Socket仿真，因此你现在就可以使用HTML 5 Web Socket API。

Web Socket很了不起，但在你的浏览器中有一个全双工套接字连接后可以做什么呢？为了充分利用HTML 5 Web Socket的全部功能，Kaazing为二进制通信提供了一个ByteSocket库，为诸如Stomp、AMQP、XMPP、IRC等协议提供了更高级的库，它们都是建立在Web Socket之上的。

例如，如果你为Stomp或AMQP协议使用了一个更高级的库，这时你可以直接与后端消息代理如RabbitMQ进行通信，通过直接连接服务，不再需要额外的应用程序服务逻辑将这些双向，全双工TCP后端协议转换成非双向，半双工HTTP连接，因为浏览器本身就可以理解这些协议。

 
图5 ：Kaazing Web Socket网关扩展基于TCP的消息，并具有更好的性能

总结

HTML 5 Web Socket在实时Web应用扩展性方面朝前迈出了一大步，正如你在本文中所看到的，HTML 5 Web Socket可以提供5000：1或 – 根据HTTP消息头大小 – 1000：1的比例减少不必要的HTTP头流量和3：1的比例减少通信延迟，这不是一个渐进式的改进，而是一次革命性的飞跃。

Kaazing Web Socket网关让HTML 5 Web Socket代码能够在所有浏览器中运行，同时提供额外的协议库允许你充分利用HTML 5 Web Socket提供的全双工套接字连接功能，直接与后端服务进行通信。