Node和React中如何进行实时通信？

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Web 为了支持客户端和服务器之间的全双工（或双向）通信已经走过了很长的路。这是 WebSocket 协议的主要目的：通过单个 TCP 套接字连接在客户端和服务器之间提供持久的实时通信。

WebSocket 协议只有两个议程：1）打开握手，2）帮助数据传输。一旦服务器和客户端握手成功，他们就可以随意地以较少的开销相互发送数据。

WebSocket 通信使用WS（端口80）或WSS（端口443）协议在单个 TCP 套接字上进行。根据 Can I Use，撰写本文时除了 Opera Mini 之外几乎所有的浏览器支持 WebSockets 。

现状

从历史上看，创建需要实时数据通讯（如游戏或聊天应用程序）的 Web 应用需要滥用 HTTP 协议来建立双向数据传输。尽管有许多种方法用于实现实时功能，但没有一种方法与 WebSockets 一样高效。 HTTP 轮询、HTTP流、Comet、SSE —— 它们都有自己的缺点。

HTTP 轮询

解决问题的第一个尝试是定期轮询服务器。 HTTP 长轮询生命周期如下：

1. 客户端发出请求并一直等待响应。
2. 服务器推迟响应，直到发生更改、更新或超时。请求保持“挂起”，直到服务器有东西返回客户端。
3. 当服务器端有一些更改或更新时，它会将响应发送回客户端。
4. 客户端发送新的长轮询请求以侦听下一组更改。

长轮询中存在很多漏洞 —— 标头开销、延迟、超时、缓存等等。

HTTP 流式传输

这种机制减少了网络延迟的痛苦，因为初始请求无限期地保持打开状态。即使在服务器推送数据之后，请求也永远不会终止。 HTTP 流中的前三步生命周期方法与 HTTP 轮询是相同的。

但是，当响应被发送回客户端时，请求永远不会终止，服务器保持连接打开状态，并在发生更改时发送新的更新。

服务器发送事件（SSE）

使用 SSE，服务器将数据推送到客户端。聊天或游戏应用不能完全依赖 SSE。 SSE 的完美用例是类似 Facebook 的新闻 Feed：每当有新帖发布时，服务器会将它们推送到时间线。 SSE 通过传统 HTTP 发送，并且对打开的连接数有限制。

这些方法不仅效率低下，维护它们的代码也使开发人员感到厌倦。

WebSocket

WebSockets 旨在取代现有的双向通信技术。当涉及全双工实时通信时，上述现有方法既不可靠也不高效。

WebSockets 类似于 SSE，但在将消息从客户端传回服务器方面也很优秀。由于数据是通过单个 TCP 套接字连接提供的，因此连接限制不再是问题。

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实战教程

正如介绍中所提到的，WebSocket 协议只有两个议程。让我们看看 WebSockets 如何实现这些议程。为此我将分析一个 Node.js 服务器并将其连接到使用 React.js 构建的客户端上。

议程1：WebSocket在服务器和客户端之间建立握手

在服务器级别创建握手

我们可以用单个端口来分别提供 HTTP 服务和 WebSocket 服务。下面的代码显示了一个简单的 HTTP 服务器的创建过程。一旦创建，我们会将 WebSocket 服务器绑定到 HTTP 端口：

const webSocketsServerPort = 8000;
const webSocketServer = require('websocket').server;
const http = require('http');
// Spinning the http server and the websocket server.
const server = http.createServer();
server.listen(webSocketsServerPort);
const wsServer = new webSocketServer({
  httpServer: server
});

创建 WebSocket 服务器后，我们需要在接收来自客户端的请求时接受握手。我将所有连接的客户端作为对象保存在代码中，并在收请从浏览器发来的求时使用唯一的用户ID。

// I'm maintaining all active connections in this object
const clients = {};

// This code generates unique userid for everyuser.
const getUniqueID = () => {
  const s4 = () => Math.floor((1 + Math.random()) * 0x10000).toString(16).substring(1);
  return s4() + s4() + '-' + s4();
};

wsServer.on('request', function(request) {
  var userID = getUniqueID();
  console.log((new Date()) + ' Recieved a new connection from origin ' + request.origin + '.');
  // You can rewrite this part of the code to accept only the requests from allowed origin
  const connection = request.accept(null, request.origin);
  clients[userID] = connection;
  console.log('connected: ' + userID + ' in ' + Object.getOwnPropertyNames(clients))
});

那么，当接受连接时会发生什么？

在发送常规 HTTP 请求以建立连接时，在请求头中，客户端发送 *Sec-WebSocket-Key*。服务器对此值进行编码和散列，并添加预定义的 GUID。它回应了服务器发送的握手中 *Sec-WebSocket-Accept*中生成的值。

一旦请求在服务器中被接受（在必要验证之后），就完成了握手，其状态代码为 101。如果在浏览器中看到除状态码 101 之外的任何内容，则意味着 WebSocket 升级失败，并且将遵循正常的 HTTP 语义。

*Sec-WebSocket-Accept* 头字段指示服务器是否愿意接受连接。此外如果响应缺少 *Upgrade* 头字段，或者 *Upgrade* 不等于 websocket，则表示 WebSocket 连接失败。

成功的服务器握手如下所示：

HTTP GET ws://127.0.0.1:8000/ 101 Switching Protocols
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: Nn/XHq0wK1oO5RTtriEWwR4F7Zw=
Upgrade: websocket

在客户端级别创建握手

在客户端，我使用与服务器中的相同 WebSocket 包来建立与服务器的连接（Web IDL 中的 WebSocket API 正在由W3C 进行标准化）。一旦服务器接受请求，我们将会在浏览器控制台上看到 WebSocket Client Connected。

这是创建与服务器的连接的初始脚手架：

import React, { Component } from 'react';
import { w3cwebsocket as W3CWebSocket } from "websocket";

const client = new W3CWebSocket('ws://127.0.0.1:8000');

class App extends Component {
  componentWillMount() {
    client.onopen = () => {
      console.log('WebSocket Client Connected');
    };
    client.onmessage = (message) => {
      console.log(message);
    };
  }
  
  render() {
    return (
      <div>
        Practical Intro To WebSockets.
      </div>
    );
  }
}

export default App;

客户端发送以下标头来建立握手：

HTTP GET ws://127.0.0.1:8000/ 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: vISxbQhM64Vzcr/CD7WHnw==
Origin: http://localhost:3000
Sec-WebSocket-Version: 13

现在客户端和服务器通过相互握手进行了连接，WebSocket 连接可以在接收消息时传输消息，从而实现 WebSocket 协议的第二个议程。

议程2：实时信息传输

我将编写一个基本的实时文档编辑器，用户可以将它们连接在一起并编辑文档。我跟踪了两个事件：

1. 用户活动：每次用户加入或离开时，我都会将消息广播给所有连接其他的客户端。
2. 内容更改：每次修改编辑器中的内容时，都会向所有连接的其他客户端广播。

该协议允许我们用二进制数据或 UTF-8 发送和接收消息（注意：传输和转换 UTF-8 的开销较小）。

只要我们对套接字事件onopen、onclose 和 onmessage有了充分的了解，理解和实现 WebSockets 就非常简单。客户端和服务器端的术语相同。

在客户端发送和接收消息

在客户端，当新用户加入或内容更改时，我们用 client.send 向服务器发消息，以将新信息提供给服务器。

/* When a user joins, I notify the
server that a new user has joined to edit the document. */
logInUser = () => {
  const username = this.username.value;
  if (username.trim()) {
    const data = {
      username
    };
    this.setState({
      ...data
    }, () => {
      client.send(JSON.stringify({
        ...data,
        type: "userevent"
      }));
    });
  }
}

/* When content changes, we send the
current content of the editor to the server. */
onEditorStateChange = (text) => {
 client.send(JSON.stringify({
   type: "contentchange",
   username: this.state.username,
   content: text
 }));
};

我们跟踪的事件是：用户加入和内容更改。

从服务器接收消息非常简单：

componentWillMount() {
  client.onopen = () => {
   console.log('WebSocket Client Connected');
  };
  client.onmessage = (message) => {
    const dataFromServer = JSON.parse(message.data);
    const stateToChange = {};
    if (dataFromServer.type === "userevent") {
      stateToChange.currentUsers = Object.values(dataFromServer.data.users);
    } else if (dataFromServer.type === "contentchange") {
      stateToChange.text = dataFromServer.data.editorContent || contentDefaultMessage;
    }
    stateToChange.userActivity = dataFromServer.data.userActivity;
    this.setState({
      ...stateToChange
    });
  };
}

在服务器端发送和侦听消息

在服务器中，我们只需捕获传入的消息并将其广播到连接到 WebSocket 的所有客户端。这是臭名昭着的 Socket.IO 和 WebSocket 之间的差异之一：当我们使用 WebSockets 时，我们需要手动将消息发送给所有客户端。 Socket.IO 是一个成熟的库，所以它自己来处理。

const sendMessage = (json) => {
  // We are sending the current data to all connected clients
  Object.keys(clients).map((client) => {
    clients[client].sendUTF(json);
  });
}

connection.on('message', function(message) {
    if (message.type === 'utf8') {
      const dataFromClient = JSON.parse(message.utf8Data);
      const json = { type: dataFromClient.type };
      if (dataFromClient.type === typesDef.USER_EVENT) {
        users[userID] = dataFromClient;
        userActivity.push(`${dataFromClient.username} joined to edit the document`);
        json.data = { users, userActivity };
      } else if (dataFromClient.type === typesDef.CONTENT_CHANGE) {
        editorContent = dataFromClient.content;
        json.data = { editorContent, userActivity };
      }
      sendMessage(JSON.stringify(json));
    }
  });

将消息广播到所有连接的客户端。

浏览器关闭后会发生什么？

在这种情况下，WebSocket调用 close 事件，它允许我们编写终止当前用户连接的逻辑。在我的代码中，当用户离开文档时，会向其余用户广播消息：

connection.on('close', function(connection) {
    console.log((new Date()) + " Peer " + userID + " disconnected.");
    const json = { type: typesDef.USER_EVENT };
    userActivity.push(`${users[userID].username} left the document`);
    json.data = { users, userActivity };
    delete clients[userID];
    delete users[userID];
    sendMessage(JSON.stringify(json));
  });

该应用程序的源代码位于GitHub上的 repo 中。

结论

WebSockets 是在应用中实现实时功能的最有趣和最方便的方法之一。它为我们提供了能够充分利用全双工通信的灵活性。我强烈建议在尝试使用 Socket.IO 和其他可用库之前先试试 WebSockets。

编码快乐！

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