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[网页设计]HTML5 WebSocket:下一次Web通信革命揭幕


    让我们一起来了解HTML 5对当前Web通信的改变。HTML 5 Web Socket通过在Web上的一个单一Socket定义了一个全双工通信信道为Web通信带来了显著的改善。

HTML5 WebSocket:下一次Web通信革命揭幕

 

【51CTO译文】关于HTML 5的各种前沿技术应用51CTO已经报道过很多,比如HTML 5的视频音频元素、HTML 5 Web SQL Database、HTML5 File API以及如何从零开始构建一个HTML 5页面等等。这些都是HTML 5对当前Web开发标准技术的升级或扩展。今天,51CTO带您了解HTML 5的另一面——HTML 5 Web Socket,以及它对当前Web通信的改变。

最近关于HTML 5 Web Socket的流言已经满天飞,它通过Web上的一个单一Socket定义了一个全双工通信信道,HTML 5 Web Socket并不是普通HTTP通信的增强版,它代表着一个巨大的进步,特别是针对实时的、事件驱动的Web应用程序 。

Google的工程师Ian Hickson说“数据的字节数急剧减少到2字节,延迟从150毫秒减少到50毫秒,实际上,这两个因素已经足以引起Google的兴趣了”。通过在一个浏览器中模拟全双工连接,HTML 5 Web Socket对Web通信带来了显著的改善。

让我们与传统的解决方案相比,看看HTML 5 Web Socket是如何减少不必要的网络流量和延迟的。

当前的Web通信——头疼的轮询 (Polling)

通常,当浏览器访问一个网页时,会向托管该网页的Web服务器发送一个HTTP请求,Web服务器识别这一请求,并返回响应。例如,股票价格,新闻报道,门票销售,流量模式,医疗设备读数等,在浏览器渲染页面时,响应可能会过期,如果你想获得最新的“实时”信息,你可以不断地手动刷新页面,但显然这不是最好的办法。

目前提供的实时Web程序主要是围绕轮询和其它服务器端推送技术进行的,最著名的是Comnet,它推迟了HTTP响应的结束,基于Comnet的推送通常是使用JavaScript结合长轮询(Long Polling)或流连接策略实现的。

使用轮询时,浏览器定期发送HTTP请求,并立即收到响应,这种技术是交付实时信息的第一次尝试,显然,如果知道消息传递的时间间隔,这算是一个好办法,因为你可以在服务器上的信息可用时同步客户端请求,但实时数据往往是不可预测的,不可避免会产生一些不必要的请求,导致许多连接处于打开状态,有些不必关闭的连接却被关闭了。

使用长轮询时,浏览器向服务器发送一个请求,服务器在既定期限内保持请求处于打开状态,如果在此期间收到通知,向客户端发送一个包含消息的响应,如果在此期间没有收到消息,服务器发送一个响应终止打开的请求。最重要的是要理解,当你的信息容量很高时,长轮询与传统的轮询相比不提供任何性能改善。实际上,它可能更糟,因为长轮询可能会失控进入一个死循环。

使用流时,浏览器发送一个完整的请求,但服务器发送一个响应,并保存打开状态,然后不断更新使其一直保持打开(或在一段时间内保持打开),无论何时消息准备好发送时,响应就更新,但服务器不会发送一个结束的响应,因此连接就一直保持打开状态,后面发送的消息就可以继续使用这个连接。但流仍然是封装在 HTTP中的,阻扰了防火墙和代理服务器选择缓冲区中的内容进行响应,因此消息传递的时间就延长了。许多流式Comnet解决方案都转向了长轮询,另外,TLS(SSL)连接可以用来屏蔽来自缓冲区的响应,但在这种情况下,每个连接消耗的服务器资源更多了。

最终,所有这些方法都提供了实时数据,包含HTTP请求和响应头,其中包含许多额外的,不必要的头数据,最重要的是,全双工连接需要的不仅仅是从服务器到客户端的下行连接。为了模拟基于半双工HTTP上的全双工通信,目前的许多解决方案都使用了两个连接:一个下行连接,一个上行连接。维护和协调这两个连接需要大量的系统开销,并增加了复杂性。简言之,HTTP不是为实时的,全双工通信设计的,如图1所示,它显示了构建一个Comnet Web应用程序的复杂性,它从后端数据源使用发布/订阅模式基于半双工HTTP显示实时数据。

Comnet程序的复杂性  
图 1:Comnet程序的复杂性

当你试图向外扩展那些Comet解决方案时,情况变得更糟糕,模拟基于HTTP的双向通信容易出错,即使最终用户感觉某些东西看起来象是一个实时Web应用程序,但这种“实时”体验的代价都是非常高昂的,需要付出更多的延迟等待时间,不必要的网络流量和对CPU性能的拖累。

 

HTML 5 Web Socket ——拯救

HTML 5 Web Socket定义在HTML 5规范的通信章节,它代表Web通信的下一个演变:通过一个单一的Socket实现一个全双工,双向通信的信道。HTML 5 Web Socket提供了一个真正的标准,你可以使用它构建可扩展的实时Web应用程序。此外,由于它提供了一个浏览器自带的套接字,消除了Comet解决方案的许多问题,Web Socket显著降低了系统开销和复杂性。

为了建立一个Web Socket连接,客户端和服务器在初始握手期间要从HTTP协议升级到WebSocket协议,如下面的例子:

例1:WebSocket握手(浏览器请求,服务器响应)

  1. GET /text HTTP/1.1/r/n  
  2. Upgrade: WebSocket/r/n  
  3. Connection: Upgrade/r/n  
  4. Host: www.websocket.org/r/n  
  5. .../r/n  
  6. HTTP/1.1 101 WebSocket Protocol Handshake/r/n  
  7. Upgrade: WebSocket/r/n  
  8. Connection: Upgrade/r/n  
  9. .../r/n 

建立好连接后,WebSocket数据帧就可以在客户端和服务器之间以全双工模式传输,在同一时间任何方向,可以全双工发送文本和二进制帧,最小的帧只有2个字节。在文本帧中,每一帧始于0x00直接,止于0xFF字节,数据使用UTF-8编码。WebSocket文本帧使用终结器,而二进制帧使用一个长度前缀。

注意:虽然WebSocket协议已经可以支持多种客户端,但不能将原始数据传递给 JavaScript,因为JavaScript不支持字节类型,因此,如果客户端是JavaScript,二进制数据会被忽略,但可以传递给支持字节类型的客户端。

Comet和HTML 5 Web Socket之间的对决

人们最关注的是HTML 5 Web Socket如何减少不必要的网络流量和延迟,我们比较一个轮询应用程序和Web Socket应用程序就知道了。

对于轮询的例子,我创建了一个简单的Web应用程序,一个网页使用传统的发布/订阅模式从 RabbitMQ消息代理请求实时的股票数据,它是通过轮询一个托管在Web服务器上的Java Servlet实现的,RabbitMQ消息代理从一个虚构的,不断更新价格的股票价格源接收数据,网页连接并订阅一个特定的股票频道(消息代理上的一个主题),使用

一个JavaScript股票行情应用程序  
图 2:一个JavaScript股票行情应用程序

注意:后端的股票源每秒实际上产生了大量的股票价格更新,因此使用每秒一次轮询的方式比使用长轮询方式更好,长轮询会产生许多连续的轮询,轮询会更有效地阻止传入更新。

这一切看起来还不错,但仔细观察,你就会发现这种应用程序存在严重的问题,例如,使用Firefox的Firebug插件(允许你调试网页和监控页面加载和脚本执行时间),你可以看到每秒都有一个GET请求砸向服务器。打开Live HTTP Headers(另一个Firefox 插件,显示实时的HTTP消息头流量)揭示每个请求关联的消息头开销数量是相当惊人的。下面两个例子显示了一个请求和响应的HTTP消息头数据。

例2:HTTP请求头

  1. GET /PollingStock//PollingStock HTTP/1.1  
  2. Host: localhost:8080  
  3. User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows; U; Windows NT 5.1; en-US; rv:1.9.1.5) Gecko/20091102 Firefox/3.5.5  
  4. Accept: text/html,application/xhtml+q = 0 .9,*/*; q = 0 .8  
  5. Accept-Language: en-us  
  6. Accept-Encoding: gzip,deflate  
  7. Accept-Charset: ISO-8859-1,utf-8; q = 0 .7,*; q = 0 .7  
  8. Keep-Alive: 300  
  9. Connection: keep-alive  
  10. Referer: http://www.example.com/PollingStock/  
  11. Cookie:  showInheritedConstant = false ; 
    showInheritedProtectedConstant = false ; 
    showInheritedProperty = false ; 
    showInheritedProtectedProperty = false ; 
    showInheritedMethod = false ;
      showInheritedProtectedMethod = false ;
      showInheritedEvent = false ; 
    showInheritedStyle = false ; 
    showInheritedEffect = false  

例3:HTTP响应头

  1. HTTP/1.x 200 OK  
  2. X-Powered-By: Servlet/2.5  
  3. Server: Sun Java System Application Server 9.1_02  
  4. Content-Type: text/html; charset = UTF -8  
  5. Content-Length: 21  
  6. Date: Sat, 07 Nov 2009 00:32:46 GMT 

HTTP请求和响应头信息开销总共包括871字节,而且还不包括任何数据,当然,这只是一个例子,你的消息头数据完全可能低于871字节,但我也看到过消息头数据超过2000字节的情况。在这个例子中,股票主题消息数据大约只有20个字符。

当你把这样的程序大规模部署给用户时会怎么样?我们使用三个不同的用例观察一下该轮询应用程序关联的HTTP请求和响应头数据需要的网络吞吐量。

用例A:1000客户端,每秒轮询一次
网络吞吐量(871x1000)=871000字节=6968000比特/秒(6.6Mbps)

用例B:10000客户端,每秒轮询一次
网络吞吐量(871x10000)=8710000字节=69680000比特/秒(66Mbps)

用例C:100000客户端,每秒轮询一次
网络吞吐量(871x100000)=87100000字节=696800000比特/秒(665Mbps)

这是一个不必要的巨大的网络吞吐量,这时我们可以使用HTML 5 Web Socket,我使用HTML 5 Web Socket重构了应用程序,给网页添加了一个事件处理程序,同步监听来自消息代理的股票更新消息。每个消息都是一个Web Socket帧,开销只有2个字节(而不是871字节),再来看看对网络吞吐量的影响。

用例A:1000客户端,每秒轮询一次
网络吞吐量(2x1000)=2000字节=16000比特/秒(0.015Mbps)

用例B:10000客户端,每秒轮询一次
网络吞吐量(2x10000)=20000字节=160000比特/秒(0.153Mbps)

用例C:100000客户端,每秒轮询一次
网络吞吐量(2x100000)=200000字节=1600000比特/秒(1.526Mbps)

正如你在图3中可以看到的,与轮询解决方案相比,HTML 5 Web Socket减少了不必要的网络流量。

 

  
图 3:比较轮询和WebSocket 应用程序之间的网络吞吐量

延迟减少怎么样呢?看看图4便知,图中上半部分显示了半双工轮询方案的延迟,这里我们假设消息从服务器传输到浏览器需要50毫秒,轮询方式引入许多额外的延迟,因为当响应完成时,一个新的请求已经发送到服务器了,这个新请求又需要50毫秒,在此期间服务器不能发送任何消息给浏览器,导致额外的服务器内存消耗。

图4下半部分显示了Web Socket方式产生的延迟,一旦连接升级到Web Socket,消息的传输会更及时,从服务器传输到浏览器仍然需要50毫秒,但Web Socket连接保持打开,之后就再也不用向服务器发送请求了。

比较轮询和WebSocket应用程序之间的网络吞吐量  
图 4:轮询和Web Socket 应用程序之间的延迟对比

HTML5 Web Socket和Kaazing WebSocket网关

目前,只有Google的Chrome浏览器原生支持HTML 5 Web Socket,但其它浏览器也将提供支持,若要解决这个限制,Kaazing Web Socket网关为所有旧浏览器(IE 5.5+,Firefox 1.5+,Safari 3.0+和Opera 9.5+)提供了一个完整的Web Socket仿真,因此你现在就可以使用HTML 5 Web Socket API。

Web Socket很了不起,但在你的浏览器中有一个全双工套接字连接后可以做什么呢?为了充分利用HTML 5 Web Socket的全部功能,Kaazing为二进制通信提供了一个ByteSocket库,为诸如Stomp、AMQP、XMPP、IRC等协议提供了更高级的库,它们都是建立在Web Socket之上的。

例如,如果你为Stomp或AMQP协议使用了一个更高级的库,这时你可以直接与后端消息代理如RabbitMQ进行通信,通过直接连接服务,不再需要额外的应用程序服务逻辑将这些双向,全双工TCP后端协议转换成非双向,半双工HTTP连接,因为浏览器本身就可以理解这些协议。

5 Kaazing Web Socket网关扩展基于TCP的消息,并具有更好的性能  
图5  :Kaazing Web Socket网关扩展基于 TCP 的消息,并具有更好的性能

总结

HTML 5 Web Socket在实时Web应用扩展性方面朝前迈出了一大步,正如你在本文中所看到的,HTML 5 Web Socket可以提供5000:1或 – 根据HTTP消息头大小 – 1000:1的比例减少不必要的HTTP头流量和3:1的比例减少通信延迟,这不是一个渐进式的改进,而是一次革命性的飞跃。

Kaazing Web Socket网关让HTML 5 Web Socket代码能够在所有浏览器中运行,同时提供额外的协议库允许你充分利用HTML 5 Web Socket提供的全双工套接字连接功能,直接与后端服务进行通信。