Web 实时推送技术的总结

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，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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