WebSocket協議 與 IO多路複用
阿新 • • 發佈：2021-01-04
最近在把 Facebook Message 接入客服系統，由於與 Facebook Message 對接的收發訊息都是通過呼叫 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 來轉發訊息。如下圖：
其中用到了 WebSocket 協議和 IO多路複用相關的知識。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訊息。
- 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傳送資訊。
## 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程序之間的通訊、網路通訊等功能。
## 一個 WebSocket 連線是如何建立起來的
WebSocket 連線的初期是基於 HTTP 協議的，假如 WebSocket 的地址是這個：wss://www.xxx.com/websocket ，在連線 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` 告訴服務端這個連線需要升級。
- `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串 `258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11` ，對拼接後的字串做SHA1，得到16進製表示的字串，將每兩位當作一個位元組進行分隔，得到位元組陣列，再對這個位元組陣列做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 連線就會被建立起來。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 連線來收發訊息了。
## 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 程式設計介面。接下來，我把 Linux 系統中給我們提供的 socket 標頭檔案找出來，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 標頭檔案在如下位置：
開啟 socket.h 檔案：
開啟另一個目錄下的 socket.h 檔案：
socket 程式設計的流程如下：
在 socket 服務端除了用到上面流程圖列出來的函式，還用到了 setsockopt() 函式，這個函式可以用來設定一些 socket 選項。比如：我在開發除錯的過程中，改完程式碼後需要殺掉執行中的 socket 程序，重新執行新編譯出來的 socket。這時候經常會執行失敗，原因是程序是立馬被殺掉了，但是原來被程序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、殺掉程序後等一會兒，埠被釋放了就能被再次使用了。2、在繫結埠之前，利用 setsockopt() 函式，給埠設定一個 SO_REUSEPORT 選項，這樣殺掉這個程序後立馬重新執行這個程序，也不會執行失敗。
## IO 多路複用(IO Multiplexing)
在專案中還用到了IO 多路複用：
- 什麼是 IO ？答：計算機的輸入和輸出(Input、Output)
- 什麼是 IO 多路複用？答：網上看到一個例子比較有意思。假如一個班有 50 名學生，老師在黑板上佈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......這個就是單程序/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......這就是多程序/多執行緒。
如果老師站在講臺上，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臺上，看有哪位同學舉手，然後去檢查他......這就是 IO 多路複用。
IO 多路複用有3 種：select、poll、epoll。在專案中用到的是 epoll。接下來，我把 Linux 系統中給我們提供的 epoll 標頭檔案找出來，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 標頭檔案在如下位置：
開啟 epoll.h 檔案：
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 的原始碼看一看：
果然 redis 和 nginx 的原始碼裡面都有使用 epoll。
## WebSocket 程式設計，還有其他方案
### Swoole 擴充套件：
- 需要 php-7.1 或更高版本
- 用法如下：
```php
//建立WebSocket Server物件，監聽0.0.0.0:9502埠
$ws = new Swoole\WebSocket\Server('0.0.0.0', 9502);
//監聽WebSocket連線開啟事件
$ws->on('open', function ($ws, $request) {
var_dump($request->fd, $request->server);
$ws->push($request->fd, "hello, welcome\n");
});
//監聽WebSocket訊息事件
$ws->on('message', function ($ws, $frame) {
echo "Message: {$frame->data}\n";
$ws->push($frame->fd, "server: {$frame->data}");
});
//監聽WebSocket連線關閉事件
$ws->on('close', function ($ws, $fd) {
echo "client-{$fd} is closed\n";
});
$ws->start();
```
想了解更多，請參考 Swoole 官方文件：