基于HTTP1.1的WebSocket協(xié)議的新式網(wǎng)絡(luò)聊天室設(shè)計與研究*

萬琪偉，盧成林

（南昌工程學(xué)院瑤湖學(xué)院，江西 南昌 330099）

0 引 言

目前，互聯(lián)網(wǎng)市場的在線通信技術(shù)大多仍為傳統(tǒng)的TCP通信協(xié)議，而WebSocket方興未艾，更能適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展的通信需要。本設(shè)計應(yīng)用該技術(shù)設(shè)計搭建網(wǎng)絡(luò)聊天室，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)通信的一些缺點(diǎn)，給現(xiàn)代通信架構(gòu)的設(shè)計提供樣本參考。

1 WeSocket協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)聊天室應(yīng)具備的功能

（1）客戶端自由連接，自由發(fā)言；

（2）完備的文件轉(zhuǎn)碼機(jī)制，使聊天室支持多類型文件的收發(fā)和多狀態(tài)信息的傳輸；

（3）提供統(tǒng)一處理機(jī)制，對外提供開放接口，方便開發(fā)部署應(yīng)用；

（4）并行異步處理模式，提高并行處理時的效率，構(gòu)建更穩(wěn)定的通信應(yīng)用。

2 可行性分析

2.1 HTTP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議

最早的HTTP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議是HTTP0.9，于1991年發(fā)布。它在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中只傳輸文本內(nèi)容，沒有緩存、身份驗證和錯誤機(jī)制。由于傳輸前沒有身份驗證機(jī)制，所以其傳輸?shù)膬?nèi)容不安全，有許多方法可以冒充接收方截下這段內(nèi)容。因此，在該協(xié)議的背景下，個人網(wǎng)站和企業(yè)網(wǎng)站的首頁等一類不需要加密的業(yè)務(wù)內(nèi)容應(yīng)運(yùn)而生。由于私密內(nèi)容不適合在網(wǎng)絡(luò)之間傳輸，因此為了提供更多的安全性，身份驗證和錯誤狀態(tài)機(jī)制被添加進(jìn)HTTP1.0。1992年后，互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迎來了第一個巔峰，各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用層出不窮，但網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸還是基于HTTP1.0協(xié)議，通信技術(shù)的更新使得傳輸速度越來越快，數(shù)據(jù)流量越來越大。而HTTP1.0的身份驗證是一次性驗證，對于頻繁的網(wǎng)絡(luò)請求，身份驗證占據(jù)的帶寬相當(dāng)可觀。于是，HTTP1.1在1997年發(fā)布，該協(xié)議一次驗證之后可以進(jìn)行多次連接。網(wǎng)速的提高使得通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈募?nèi)容越來越大，如視頻、音頻、鏡像等壓縮文件。原先的一般處理是將大文件分割成小文件傳輸，最后再合并回大文件，使得文件傳輸復(fù)雜，小文件也可能發(fā)生丟失，導(dǎo)致傳輸?shù)膬?nèi)容不完整。因此，第二代通信技術(shù)HTTP2.0為大文件的傳輸提供了更加完美的解決方案[1]。

2.2 WebSocket協(xié)議

WebSocket協(xié)議支持發(fā)布于2013年，在（在受控環(huán)境中運(yùn)行不受信任的代碼的）客戶端與（選擇加入該代碼的通信的）遠(yuǎn)程主機(jī)之間進(jìn)行全雙工通信。用于此的安全模型是Web瀏覽器常用的基于原始的安全模式。協(xié)議包括一個開放的握手和隨后的TCP層上的消息幀。該技術(shù)的目標(biāo)是為基于瀏覽器的需要和服務(wù)器進(jìn)行雙向通信的（服務(wù)器不能依賴于打開多個HTTP連接（如使用XMLHttpRequest、＜iframe＞和長輪詢）應(yīng)用程序提供一種通信機(jī)制。簡單地說，WebSocket協(xié)議之前，雙向通信是通過不停發(fā)送HTTP請求從服務(wù)器拉取更新來實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致效率低下，而WebSocket協(xié)議能較好地解決此類問題。

實(shí)現(xiàn)WebSocket連線過程中，需要通過瀏覽器發(fā)出WebSocket連線請求，然后服務(wù)器發(fā)出回應(yīng)，這個過程通常稱為“握手”。在WebSocket API，瀏覽器和服務(wù)器只需要做一個握手的動作，瀏覽器和服務(wù)器之間就形成了一條快速通道。兩者之間可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的互相傳送。在WebSocket協(xié)議中，實(shí)現(xiàn)即時服務(wù)有兩大好處。

（1）Header容量小

相互溝通的Header很小，大概只有2 Bytes。

（2）Server Push提供主動推送服務(wù)

服務(wù)器的推送。服務(wù)器不再被動接收瀏覽器的請求后才返回數(shù)據(jù)，而是在有新數(shù)據(jù)時就主動推送給瀏覽器。

瀏覽器發(fā)送的Header

GET/webfin/websocket/HTTP/1.1

Host:localhost

Upgrade:websocket

Connection:Upgrade

Sec-WebSocket-Key:xqBt3ImNzJbYqRINx EFlkg==

Origin:http://服務(wù)器地址

Sec-WebSocket-Version:13

服務(wù)器回應(yīng)Header

HTTP/1.1 101 Switching Protocols

Upgrade:websocket

Connection:Upgrade

Sec-WebSocket-Accept:K7DJLdLooIwIG/MOpvWFB3y3FE8=

3 基于HTTP1.1的WebSocket協(xié)議的新式網(wǎng)絡(luò)聊天室的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的HTTP協(xié)議是無狀態(tài)的，每次請求（Request）都要由客戶端（如瀏覽器）主動發(fā)起，服務(wù)端進(jìn)行處理后返回response結(jié)果，而服務(wù)端很難主動向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。對于信息變化不頻繁的Web應(yīng)用來說，它造成的麻煩較小，而對于涉及實(shí)時信息的Web應(yīng)用卻帶來了很大不便，如帶有即時通信、實(shí)時數(shù)據(jù)、訂閱推送等功能的應(yīng)用。在WebSocket規(guī)范提出前，開發(fā)人員若要實(shí)現(xiàn)這些實(shí)時性較強(qiáng)的功能，經(jīng)常會使用折中的解決方法：輪詢（Polling）和Comet技術(shù)。其實(shí)，Comet技術(shù)本質(zhì)上也是一種輪詢，是一種改進(jìn)的輪詢[2]。

記S1為傳統(tǒng)的HTTP協(xié)議規(guī)則（以下簡稱TCP），S2為基于HTTP1.1的WebSocket協(xié)議規(guī)則（以下簡稱WS）。

使用WS有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

（1）建立在TCP協(xié)議之上。

（2）與HTTP協(xié)議有著良好的兼容性。默認(rèn)端口也是80和443，握手階段采用HTTP協(xié)議。因此，握手時不容易屏蔽，能通過各種HTTP代理服務(wù)器。

（3）數(shù)據(jù)格式比較輕量，性能開銷小，通信高效。

（4）可以發(fā)送文本，也可以發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

（5）沒有同源限制，客戶端可以與任意服務(wù)器通信。

（6）協(xié)議標(biāo)識符是ws（如果加密，則為wss），服務(wù)器網(wǎng)址就是URL。

正如自然界中有“物競天擇，適者生存”，一代又一代的通信協(xié)議被提出，隨著時代的發(fā)展又不斷淘汰。技術(shù)的產(chǎn)生和需求是分不開的。根據(jù)社會對即時通信協(xié)議的需求，基于對上述可行性的分析，基于HTTP1.1的WebSocket協(xié)議的新式網(wǎng)絡(luò)聊天室的開發(fā)設(shè)計是一種較合理的選擇。

4 基于WebSocket的通信技術(shù)分析

4.1 服務(wù)器端的接收中轉(zhuǎn)核心

相比于傳統(tǒng)TCP協(xié)議核心，服務(wù)器端增加了一個HTTPRequest的Context連接池。在有客戶端連接請求時，將正確請求壓入Dictionary中實(shí)現(xiàn)了長輪詢和有狀態(tài)的雙向連接。新建線程監(jiān)聽此端口或者在有服務(wù)器消息后主動向客戶端推送消息，調(diào)用Dictionary鍵值對找出客戶端口，同時使用.NET提供的WebSocket.State屬性判斷客戶端是否在線，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時雙工通信和離線消息保持處理。

另外，WebSocket的核心相比于TCP有更大的可設(shè)計性：

（1）可設(shè)計多樣化網(wǎng)絡(luò)核心存在形式。基于.NET，WebSocket可以部署為控制臺，可以部署為Windows窗口程序，可以部署為ASP網(wǎng)站處理程序。在MicroSoft發(fā)布了最新技術(shù)規(guī)范.NET Core后，作為新式的更完美的通信技術(shù)，可以部署在支持.NET框架的任何平臺。

（2）可設(shè)計安全連接和狀態(tài)連接。WebSocket可以通過加載SSL證書應(yīng)用世界主流的數(shù)據(jù)通信加密協(xié)議來保護(hù)傳輸數(shù)據(jù)。一次握手可以保持連接狀態(tài)，節(jié)約帶寬和性能。

4.2 客戶端的連接接口

目前主流的瀏覽器核心均支持WebSocket通信協(xié)議，W3C為客戶端規(guī)定了更加簡潔高效的連接處理API，使得客戶端的設(shè)計可以更簡約和方便。

開發(fā)平臺CodeVS語言JavaScript

Window.ws=newWebSocket(‘wss://forexample.com/Handler1.ashx?user=’+$(“#user”).val());

服務(wù)器端的通信中轉(zhuǎn)是此次研究的核心，也是此次技術(shù)的難點(diǎn)。利用新技術(shù)更新傳統(tǒng)技術(shù)，并修復(fù)已知問題使它更符合現(xiàn)代社會需要，需要我們不斷嘗試和研究，不斷更新迭代技術(shù)開發(fā)出更加高效和完備的通信體系[3-4]。

5 新式網(wǎng)絡(luò)聊天室的設(shè)計過程

5.1 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

圖1表述了協(xié)議數(shù)據(jù)從設(shè)計物理層生成，經(jīng)過鏈路處理，使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行修飾，最后通過套接字接口傳達(dá)到應(yīng)用層的過程。簡言之，應(yīng)用層為消息池，儲存消息為Server和Client所用。

圖1 協(xié)議內(nèi)容

5.2 異步編程模式邏輯結(jié)構(gòu)圖

圖2 表明服務(wù)運(yùn)行時，服務(wù)器專用線程監(jiān)聽某個應(yīng)用層端口的連接，然后接受連接請求和驗證連接協(xié)議。成功后，在客戶端對應(yīng)用層進(jìn)行消息傳遞前，服務(wù)器的recv()保持阻塞狀態(tài)，send()保持接受外部影響的激活狀態(tài)。在每一次輪詢結(jié)束后，recv()重新阻塞，send()時刻活躍，并對服務(wù)器和客戶端改動做出回應(yīng)，實(shí)現(xiàn)異步模式。

圖2 雙工協(xié)議流程

5.3 邏輯結(jié)構(gòu)

整個平臺由服務(wù)器端和客戶端組成。服務(wù)器端用來處理各個客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)（聊天消息）和向客戶端分發(fā)聊天消息記錄。每一個聊天室需新建一個類。

此類需包含以下組件。（1）房間號：用來顯示表示房間ID的字符串組成的標(biāo)識符。（2）成員：應(yīng)使用動態(tài)數(shù)組或者可變長度的堆棧，如果實(shí)現(xiàn)1對1聊天室，把成員數(shù)量限制為2即可。（3）端口號：服務(wù)器上描述房間位置的唯一標(biāo)識符，用以封裝IPv4對外接口和客戶端連接服務(wù)端的端點(diǎn)。（4）消息結(jié)構(gòu)：成員用戶IP地址（識別單個用戶）、發(fā)送消息的時間、發(fā)送的消息內(nèi)容和其他DIY描述（如個性簽名、頭像等）。（5）成員列表：儲存所有的在線成員，可選添加聊天室管理員。（6）綁定的數(shù)據(jù)庫：將每一條消息結(jié)構(gòu)存入數(shù)據(jù)庫，便于隨時調(diào)出查看。

至少包含如下方法。（1）獲取歷史聊天記錄。（2）輸出成員列表：獲取在線人數(shù)，根據(jù)已連接的IP地址定義單個成員。（3）獲取客戶端消息：將消息結(jié)構(gòu)存入數(shù)據(jù)庫，向所有本房間的客戶端推送消息。（4）創(chuàng)建WebSocket服務(wù)器端監(jiān)聽服務(wù)：基于WebSocket協(xié)議的互聯(lián)機(jī)制，可以保持客戶端在線，同時監(jiān)聽客戶端狀態(tài)，做到身份驗證和消息加密的安全保障，且能夠在有成員的狀態(tài)下活躍，無成員時靜默，最大程度節(jié)約服務(wù)器資源和帶寬。（5）關(guān)閉WebSocket服務(wù)：節(jié)省內(nèi)存。

服務(wù)器類需包括以下組件。（1）聊天室列表棧：儲存和提取各聊天室信息。（2）聊天室工廠類：批量規(guī)范地創(chuàng)建聊天室，將聊天室壓入聊天室列表Stack中。（3）WebSocket服務(wù)：向每一個客戶端發(fā)送房間列表或創(chuàng)建房間信息或其他內(nèi)容。（4）其他功能，如多線程支持、日志記錄、錯誤列表。

客戶端需包括以下功能。（1）WebSocketClient：WebSocket服務(wù)客戶端，用于連接服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，使用WebSocket協(xié)議的客戶端口和連接基礎(chǔ)。（2）消息處理組件：能夠?qū)磳l(fā)送的消息文本處理，或者對即將發(fā)送的圖片和文件適當(dāng)編碼，使之能用ws協(xié)議傳輸。處理服務(wù)器返回的消息，使之能正常且正確地顯示在客戶端。（3）聊天室接口：獲取聊天室和成員信息，管理聊天室連接，生成聊天室Stack使客戶端能加入多個聊天室。（4）其他功能，如日志記錄、錯誤列表。

5.4 算法結(jié)構(gòu)

聊天室包含的主要算法如下。

開發(fā)環(huán)境：CodeVS，語言JavaScript

（1）圖片轉(zhuǎn)base:64算法

function getBase64Image(img){

var base64, base;

var canvas = document.createElement(“canvas”);

canvas.width=img.width;

canvas.height=img.height;

var ctx=canvas.getContext(“2d”);

ctx.drawImage(img,0,0,img.width,img.height);

base=canvas.toDataURL(“image/png”);

base64 = base.toString().substr(base.toString().indexOf(“,”)+1);

return base64;

}

（2）小文檔壓縮二進(jìn)制算法

該算法可選支持，具體取決于對消息的支持程度。

（3）SHA1算法

function count(SecWebSocketKey){

if(!(SecWebSocketKey==””)){

var shaObj=newjsSHA(“SHA1”,”TEXT”,{“n umRounds”:1});

shaObj.update(SecWebSocketKey+”258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”);

return shaObj.getHash(“B64”);

else return -1;

}

可安裝SSL證書，以安全化雙工連接。

6 結(jié) 語

本設(shè)計中服務(wù)器和客戶端的結(jié)構(gòu)清晰，條理鮮明，且完整地基于WebSocket協(xié)議的使用及拓展，服務(wù)器及客戶端都擁有獨(dú)立的工作形式，跨越了兩個平臺。該研究應(yīng)用范圍不僅適用于小型局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，隨著社會對即時通信需求的與日劇增，可延伸至其他領(lǐng)域。