WebSocket協議與 IO多路復用

2021 年 1 月 4 日
筆記
C 語言, C++, IO多路復用, socket, Websocket

最近在把 Facebook Message 接入客服系統，由於與 Facebook Message 對接的收發消息都是通過調用 http 介面來實現的，如果想實現即時通訊，還需要在中間加一個 WebSocket 來轉發消息。如下圖：

其中用到了 WebSocket 協議和 IO多路復用相關的知識。在這裡做一個學習記錄。

為什麼需要 WebSocket 協議

因為 HTTP 協議有一個缺陷：通訊只能先由客戶端發起，然後伺服器再作出響應，並不能由伺服器主動向客戶端推送消息。
WebSocket 協議最大的特點是，伺服器可以主動向客戶端推送資訊，客戶端也可以主動向伺服器發送資訊。

WebSocket 與 socket 的之間關係

WebSocket 是一個網路通訊協議，是屬於網路七層模型中的應用層的協議，同樣屬於應用層的協議還有 HTTP 協議、FTP協議、SMTP協議等等。
而 socket 是作業系統提供的一套介面，利用這一套介面就可以編寫程式實現進程之間的通訊、網路通訊等功能。

一個 WebSocket 連接是如何建立起來的

WebSocket 連接的初期是基於 HTTP 協議的，假如 WebSocket 的地址是這個：wss://www.xxx.com/websocket ，在連接 WebSocket 的初期瀏覽器首先會向這個地址發出一個 HTTP GET 請求，請求頭資訊截圖如下：

紅色框標出的是比較重要的請求頭：

Connection: Upgrade 告訴服務端這個連接需要升級。
Upgrade: websocket 告訴服務端需要升級到 WebSocket 協議。
Sec-WebSocket-Key: d97OXZzuRlSJV/6SrX+uUA== 是瀏覽器隨機生成的一個字元串。

服務端接收到這個 HTTP 請求，會作出響應，響應頭的截圖如下：

紅色框標出的是比較重要的響應頭：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols 告訴瀏覽器，服務端已經成功切換了協議。
Sec-WebSocket-Accept: axMY+KY1i8F9y9zyUMPhrfuYtPw= 這個是服務端拿到請求頭中的 Sec-WebSocket-Key: d97OXZzuRlSJV/6SrX+uUA==，在 d97OXZzuRlSJV/6SrX+uUA== 後面拼接一個固定的字元串 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 ，對拼接後的字元串做SHA1，得到16進位表示的字元串，將每兩位當作一個位元組進行分隔，得到位元組數組，再對這個位元組數組做Base64，得到最後的結果，把最後的結果放到 Sec-WebSocket-Accept 響應頭裡返回。

瀏覽器也會使用同樣的演算法把請求頭中的 Sec-WebSocket-Key 算出一個結果，將這個結果與服務端返回的 Sec-WebSocket-Accept 做對比。就像對暗號一樣，兩邊的暗號相同，WebSocket 連接就會被建立起來。這個過程也叫做握手，握手成功後，就可以愉快的使用這個 WebSocket 連接來收發消息了。

作業系統提供的 socket 介面

WebSocket 的通訊，其實是利用了作業系統給我們提供的一套 socket 編程介面。接下來，我把 Linux 系統中給我們提供的 socket 頭文件找出來，看看裡面有哪些介面提供給我們使用，以及每個介面的作用是什麼。找到 socket.h 頭文件在如下位置：

打開 socket.h 文件：

打開另一個目錄下的 socket.h 文件：

socket 編程的流程如下：

在 socket 服務端除了用到上面流程圖列出來的函數，還用到了 setsockopt() 函數，這個函數可以用來設置一些 socket 選項。比如：我在開發調試的過程中，改完程式碼後需要殺掉運行中的 socket 進程，重新運行新編譯出來的 socket。這時候經常會運行失敗，原因是進程是立馬被殺掉了，但是原來被進程監聽的那個埠會進入 TIME_WAIT 狀態，而不會立即被釋放出來。解決方法有兩個：1、殺掉進程後等一會兒，埠被釋放了就能被再次使用了。2、在綁定埠之前，利用 setsockopt() 函數，給埠設置一個 SO_REUSEPORT 選項，這樣殺掉這個進程後立馬重新運行這個進程，也不會運行失敗。

IO 多路復用(IO Multiplexing)

在項目中還用到了IO 多路復用：

什麼是 IO ？答：電腦的輸入和輸出(Input、Output)
什麼是 IO 多路復用？答：網上看到一個例子比較有意思。假如一個班有 50 名學生，老師在黑板上布置了一道題目讓學生做，
如果老師按照學號先看 1 號學生做出來沒有，做出來了就檢查他，還沒做出來就在原地等他做出來，然後檢查他，檢查完 1 號學生才輪到 2 號學生……這個就是單進程/單執行緒。
如果老師能分身，一共分出 50 個分身，每個學生旁邊站一個老師……這就是多進程/多執行緒。
如果老師站在講台上，有哪位學生做完了就舉手，老師下去檢查他，檢查完老師又回到講台上，看有哪位同學舉手，然後去檢查他……這就是 IO 多路復用。

IO 多路復用有3 種：select、poll、epoll。在項目中用到的是 epoll。接下來，我把 Linux 系統中給我們提供的 epoll 頭文件找出來，看看裡面有哪些介面提供給我們使用，以及每個介面的作用是什麼。找到 epoll.h 頭文件在如下位置：

打開 epoll.h 文件：

epoll 的使用流程如下：

看到網上有文章說 redis 和 nginx 也有使用 epoll，為了驗證他講的是不是真的。我們找 redis 和 nginx 的源碼看一看：

果然 redis 和 nginx 的源碼裡面都有使用 epoll。

WebSocket 編程，還有其他方案

Swoole 擴展：

需要 php-7.1 或更高版本
用法如下：

//創建WebSocket Server對象，監聽0.0.0.0:9502埠
$ws = new Swoole\WebSocket\Server('0.0.0.0', 9502);

//監聽WebSocket連接打開事件
$ws->on('open', function ($ws, $request) {
    var_dump($request->fd, $request->server);
    $ws->push($request->fd, "hello, welcome\n");
});

//監聽WebSocket消息事件
$ws->on('message', function ($ws, $frame) {
    echo "Message: {$frame->data}\n";
    $ws->push($frame->fd, "server: {$frame->data}");
});

//監聽WebSocket連接關閉事件
$ws->on('close', function ($ws, $fd) {
    echo "client-{$fd} is closed\n";
});

$ws->start();

想了解更多，請參考 Swoole 官方文檔：//wiki.swoole.com/#/

Workerman：

在學習 WebSocket 的過程中，還發現了一個純 PHP 實現的框架：Workerman

需要 PHP 5.3.3 或更高版本
用法如下：

<?php
use Workerman\Worker;
require_once __DIR__ . '/Workerman/Autoloader.php';

// 注意：這裡與上個例子不同，使用的是websocket協議
$ws_worker = new Worker("websocket://0.0.0.0:2000");

// 啟動4個進程對外提供服務
$ws_worker->count = 4;

// 當收到客戶端發來的數據後返回hello $data給客戶端
$ws_worker->onMessage = function($connection, $data)
{
    // 向客戶端發送hello $data
    $connection->send('hello ' . $data);
};

// 運行worker
Worker::runAll();

想了解更多，請參考 Workerman 官方文檔：//doc.workerman.net/

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