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基于 ThinkJS 的 WebSocket 通信详解

基于 ThinkJS 的 WebSocket 通信详解

前言

我们的项目是基于 ThinkJS + Vue 开发的，最近实现了一个多端实时同步数据的功能，所以想写一篇文章来介绍下如何在 ThinkJS 的项目中利用 WebSocket 实现多端的实时通信。ThinkJS 是基于 Koa 2 开发的企业级 Node.js 服务端框架，文章中会从零开始实现一个简单的聊天室，希望读者们能有所收获。

WebSocket

WebSocket 是 HTML5 中提出的一种协议。它的出现是为了解决客户端和服务端的实时通信问题。在 WebSocket 出现之前，如果想实现实时消息传递一般有两种方式：

  1. 客户端通过轮询不停的向服务端发送请求，如果有新消息客户端进行更新。这种方式的缺点很明显，客户端需要不停向服务器发送请求，然而 HTTP 请求可能包含较长的头部，其中真正有效的数据可能只是很小的一部分，显然这样会浪费很多带宽资源
  2. HTTP 长连接，客户端通过 HTTP 请求连接到服务端后， 底层的 TCP 连接不会马上断开，后续的信息还是可以通过同一个连接来传输。这种方式有一个问题是每个连接会占用服务端资源，在收到消息后连接断开，就需要重新发送请求。如此循环往复。

可以看到，这两种实现方式的本质还是客户端向服务端“Pull”的过程，并没有一个服务端主动“Push”到客户端的方式，所有的方式都是依赖客户端先发起请求。为了满足两方的实时通信， WebSocket 应运而生。

WebSocket 协议

首先，WebSocket 是基于 HTTP 协议的，或者说借用了 HTTP 协议来完成连接的握手部分。其次，WebSocket 是一个持久化协议，相对于 HTTP 这种非持久的协议来说，一个 HTTP 请求在收到服务端回复后会直接断开连接，下次获取消息需要重新发送 HTTP 请求，而 WebSocket 在连接成功后可以保持连接状态。下图应该能体现两者的关系：

在发起 WebSocket 请求时需要先通过 HTTP 请求告诉服务端需求将协议升级为 WebSocket。

浏览器先发送请求：

GET / HTTP/1.1
Host: localhost:8080
Origin: [url=http://127.0.0.1:3000]http://127.0.0.1:3000[/url]
Connection: Upgrade
Upgrade: WebSocket
Sec-WebSocket-Version: 13
Sec-WebSocket-Key: w4v7O6xFTi36lq3RNcgctw==

服务端回应请求：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Connection:Upgrade
Upgrade: WebSocket
Sec-WebSocket-Accept: Oy4NRAQ13jhfONC7bP8dTKb4PTU=

在请求头中核心的部分是 Connection 和 Upgrade ，通过这两个字段服务端会将 HTTP 升级为 WebSocket 协议。服务端返回对应信息后连接成功，客户端和服务端就可以正常通信了。

随着新标准的推进，WebSocket 已经比较成熟了，并且各个主流浏览器对 WebSocket 的支持情况比较好（不兼容低版本 IE，IE 10 以下）

Socket.io

Socket.io 是一个完全由 JavaScript 实现、基于 Node.js、支持 WebSocket 协议的用于实时通信、跨平台的开源框架。它包括了客户端的 JavaScript 和服务器端的 Node.js，并且有着很好的兼容性，会根据浏览器的支持情况选择不同的方式进行通讯，如上面介绍的轮询和 HTTP 长连接。

简易聊天室

对于 WebSocket 目前 ThinkJS 支持了 Socket.io 并对其进行了一些简单的包装，只需要进行一些简单的配置就可
以使用 WebSocket 了。

服务端配置

stickyCluster

ThinkJS 默认采用了多进程模型，每次请求会根据策略输送到不同的进程中执行，关于其多进程模型可以参考《细谈 ThinkJS 多进程模型》。 而 WebSocket 连接前需要使用 HTTP 请求来完成握手升级，多个请求需要保证命中相同的进程，才能保证握手成功。这个时候就需要开启 StickyCluster 功能，使客户端所有的请求命中同一进程。修改配置文件 src/config/config.js 即可。

module.exports = {
    stickyCluster: true,
    // ...
}

添加 WebSocket 配置

在 src/config/extend.js 引入 WebSocket：

const websocket = require('think-websocket');
module.exports = [
  // ...
  websocket(think.app),
];

在 src/config/adapter.js 文件中配置 WebSocket

const socketio = require('think-websocket-socket.io');
exports.websocket = {
  type: 'socketio',
  common: {
    // common config
  },
  socketio: {
    handle: socketio,
    messages: {
      open: '/websocket/open', //建立连接时处理对应到 websocket Controller 下的 open Action
      close: '/websocket/close', // 关闭连接时处理的 Action
      room: '/websocket/room' // room 事件处理的 Action
    }
  }
}

配置中的 message 对应着事件的映射关系。比如上述的例子，客户端触发 room 事件，服务端需要在 websocket controller 下的 roomAction 中处理消息。

添加 WebSocket 实现

创建处理消息的 controller 文件。上面的配置是 /websocket/xxx ，所以直接在项目根目录 src/controller 下创建 websocket.js 文件。

module.exports = class extends think.Controller {
// this.socket 为发送消息的客户端对应的 socket 实例， this.io 为Socket.io 的一个实例
  constructor(...arg) {
    super(...arg);
    this.io = this.ctx.req.io;
    this.socket = this.ctx.req.websocket;
  }
  async openAction() {
    this.socket.emit('open', 'websocket success')
  }

  closeAction() {
    this.socket.disconnect(true);
  }
};

这时候服务端代码就已经配置完了。

客户端配置

客户端代码使用比较简单，只需要引入 socket.io.js 就可以直接使用了。

<script src="https://lib.baomitu.com/socket.io/2.0.1/socket.io.js"></script>

引入后在初始化代码创建 WebSocket 连接：

this.socket = io();
this.socket.on('open', data => {
    console.log('open', data)
})

这样一个最简单的 WebSocket 的 demo 就完成了，打开页面的时候会自动创建一个 WebSocket 连接，创建成功后服务端会触发 open 事件，客户端在监听的 open 事件中会接收到服务端返回的 websocket success 字符串。
接下来我们开始实现一个简单的聊天室。

简易聊天室的实现

从刚才的内容中我们知道每个 WebSocket 连接的创建会有一个 Socket 句柄创建，对应到代码中的 this.socket 变量。所以本质上聊天室人与人的通信可以转换成每个人对应的 Socket 句柄的通信。我只需要找到这个人对应的 Socket 句柄，就能实现给对方发送消息了。

简单来实现我们可以设置一个全局变量来存储连接到服务端的 WebSocket 的一些信息。在 src/bootstrap/global.js  中设置全局变量：

global.$socketChat = {};

然后在 src/bootstrap/worker.js  中引入global.js，使全局变量生效。

require('./global');

然后在服务端 controller 增加 roomAction 和 messageAction  ， messageAction 用来接收客户端用户的聊天信息，并将信息发送给所有的客户端成员。 roomAction 用来接收客户端进入/离开聊天室的信息。这两个的区别是聊天消息是需要同步到所有的成员所以使用 this.io.emit，聊天室消息是同步到所有除当前客户端外的所有成员所以使用this.socket.broadcast.emit

module.exports = class extends think.Controller {
    constructor(...arg) {
        super(...arg);
        this.io = this.ctx.req.io;
        this.socket = this.ctx.req.websocket;
        global.$socketChat.io = this.io;
    }

    async messageAction() {
        this.io.emit('message', {
            nickname: this.wsData.nickname,
            type: 'message',
            message: this.wsData.message,
            id: this.socket.id
        })
    }
    async roomAction() {
        global.$socketChat[this.socket.id] = {
          nickname: this.wsData.nickname,
          socket: this.socket
        }
        this.socket.broadcast.emit('room', {
            nickname: this.wsData.nickname,
            type: 'in',
            id: this.socket.id
        })
    }
    async closeAction() {
        const closeSocket = global.$socketChat[this.socket.id];
        const nickname = closeSocket && closeSocket.nickname;
        this.socket.disconnect(true);
        this.socket.removeAllListeners();
        this.socket.broadcast.emit('room', {
            nickname,
            type: 'out',
            id: this.socket.id
        })
        delete global.$socketChat[this.socket.id]
    }
}

客户端通过监听服务端 emit 的事件来处理信息

this.socket.on('message', data => {
    // 通过socket的id的对比，判断消息的发送方
    data.isMe = (data.id === this.socket.id);
    this.chatData.push(data);
})
this.socket.on('room', (data) => {
    this.chatData.push(data);
})

通过 emit 服务端对应的 action 来发送消息

this.socket.emit('room', {
    nickname: this.nickname
})
this.socket.emit('message', {
    message: this.chatMsg,
    nickname: this.nickname
})

根据发送/接收消息的type判断消息类型

<div class="chat-box">
    <div v-for="(item, index) in chatData" :key="index">
    <p v-if="item.type == 'in'" class="enter-tip">{{item.nickname}}进入聊天室</p>
    <p v-if="item.type == 'out'" class="enter-tip">{{item.nickname}}离开聊天室</p>
    <p v-else-if="item.type == 'message'" :class="['message',{'me':item.isMe}]">
        {{item.nickname}}：{{item.message}}
    </p>
    </div>
</div>

至此一个简单的聊天室就完成了。

多节点通信问题

刚才我们说了通信的本质其实是 Socket 句柄查询使用的过程，本质上我们是利用全局变量存储所有的 WebSocket 句柄的方式解决了 WebSocket 连接查找的问题。但是当我们的服务端扩容后，会出现多个服务器都有 WebSocket 连接，这个时候跨节点的 WebSocket 连接查找使用全局变量的方式就无效了。此时我们就就需要换一种方式来实现跨服务器的通信同步，一般有以下几种方式：

消息队列

发送消息不直接执行 emit 事件，而是将消息发送到消息队列中，然后所有的节点对这条消息进行消费。拿到数据后查看接收方的 WebSocket 连接是否在当前节点上，不在的话就忽略这条数据，在的话则执行发送的动作。

节点通信

通过外部存储服务例如 Redis 充当之前的“全局变量”的角色，所有的节点创建 WebSocket 连接后都向 Redis 中注册一下，告诉大家有个叫 “A” 家伙的连接在 “192.168.1.1” 这。当 B 要向 A 发送消息的时候它去 Redis 中查找到 A 的连接所处的节点后，通知 192.168.1.1 这个节点 B 要向 A 发送消息，然后节点会执行发送的动作。

基于 Redis 的节点通信实现

Redis 的 pub/sub 是一种消息通信模式：发送者(pub)发送消息，订阅者(sub)接收消息。WebSocket 的一个节点接收到消息后，通过 Redis 发布(pub)，其他节点作为订阅者(sub)接收消息再进行后续处理。

这次我们将在聊天室的 demo 上实现节点通信的功能。

首先，在 websocket controller 文件中增加接口调用

const ip = require('ip');
const host = ip.address();

module.exports = class extends think.Controller {
  async openAction() {
      // 记录当前 WebSocket 连接到的服务器ip
      await global.rediser.hset('-socket-chat', host, 1);
  }

  emit(action, data) {
      if (action === 'message') {
      this.io.emit(action, data)
    } else {
      this.socket.broadcast.emit(action, data);
    }
    this.crossSync(action, data)
  }


  async messageAction() {
    const data = {
      nickname: this.wsData.nickname,
      type: 'message',
      message: this.wsData.message,
      id: this.socket.id
    };
    this.emit('message', data);
  }

  async closeAction() {
      const connectSocketCount = Object.keys(this.io.sockets.connected).length;
      this.crossSync(action, data);
      if (connectSocketCount <= 0) {
        await global.rediser.hdel('-socket-chat', host);
      }
  }

  async crossSync(action, params) {
    const ips = await global.rediser.hkeys('-socket-chat').filter(ip => ip !== host);
    ips.forEach(ip => request({
        method: 'POST',
        uri: `http://${ip}/api/websocket/sync`,
        form: {
          action,
          data: JSON.stringify(params)
        },
        json: true
      });
    );
  }
}

然后在 src/controller/api/websocket 实现通信接口

const Base = require('../base');

module.exports = class extends Base {
  async syncAction() {
    const {action, data} = this.post();
    const blackApi = ['room', 'message', 'close', 'open'];
    if (!blackApi.includes(action)) return this.fail();

    // 由于是跨服务器接口，所以直接使用io.emit发送给当前所有客户端
    const io = global.$socketChat.io;
    io && io.emit(action, JSON.parse(data));
  }
};

这样就实现了跨服务的通信功能，当然这只是一个简单的 demo ，但是基本原理是相同的。

socket.io-redis

第二种 Redis (sub/pub) 的方式，socket.io 提供了一种官方的库 socket.io-redis 来实现。它在 Redis 的 pub/sub 功能上进行了封装，让开发者可以忽略 Redis 相关的部分，方便了开发者使用。使用时只需要传入 Redis 的配置即可。

// Thinkjs socket.io-redis 配置
const redis = require('socket.io-redis');
exports.websocket = {
  ...
  socketio: {
    adapter: redis({ host: 'localhost', port: 6379 }),
    message: {
        ...
    }
  }
}

// then controller websocket.js
this.io.emit('hi', 'all sockets');

HTTP 与 WebSocket 通信

如果想通过非 socket.io 进程向 socket.io 服务通信，例如：HTTP，可以使用官方的 socket.io-emitter 库。使用方式如下：

var io = require('socket.io-emitter')({ host: '127.0.0.1', port: 6379 });
setInterval(function(){
  io.emit('time', new Date);
}, 5000);

后记

整个聊天室的代码已经上传到github，大家可以直接下载体验聊天室示例

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