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网页端IM通信技术快速入门:短轮询、长轮询、SSE、WebSocket

JackJiang
English

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/JackJiang2...

(本文同步发布于:http://www.52im.net/thread-35...

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-35...

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<script>parent.execute(JSON.stringify(data))</script>;
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=S...

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...

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_w...

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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