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WebSocket协议和Socket.IO框架

一、WebSocket介绍：

1,WebSocket是什么？

WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议。在WebSocket API中，浏览器和服务器只需要完成一次握手（不是指建立TCP连接的那个三次握手，是指在建立TCP连接后传输一次握手数据），两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。

WebSocket是H5新增的一重通信协议，为了更好的节省服务器资源和带宽，并且能够更实时地进行通讯。

2,WebSocket与TCP、HTTP之间有什么关系？

WebSocket和HTTP都是基于TCP创建的，所以发送消息之前都要创建连接进行三次握手。

WebSocket依赖HTTP协议的一次握手，一次握手成功之后，就不需要HTTP了，而是使用TCP的传输通道，开始收发数据，这就是上面所说的双向连接。

3，WebSocket使用场景？

  • 用户下了订单，运营管理后台需要向运营人员推送订单通知。
  • 用户A关注了用户B，需要向用户B推送消息
  • 有一些游戏，既支持手机端，也支持web端时，需要用到。
  • 网页版即时聊天、弹幕等

4，为什么选择WebSocket而不是其他？

  1. HTTP/1.x 版本不支持服务器主动推送，只能在客户端发起请求后做出回应。
  2. HTTP/2.x版本支持服务器主动推送，但HTTP/2 还未全面实施
  3. 轮询 ：每隔一段时间就会想服务器发送请求，询问是否有新的消息，必须不停连接，或者连接始终打开，效率低下，浪费资源。
  4. Comet （基于长连接）长轮询是在打开一条连接以后保持，等待服务器推送来数据再关闭的方式。依然需要反复发出请求，而且长连接也会消耗服务器资源。

**综上所述：

HTTP、轮询、长轮询都不太合适**

。而WebSocket呢？看下面介绍：

5，典型的Websocket握手请求如下：

客户端请求：

GET / HTTP/1.1
Upgrade: websocket    
#Upgrade字段必须设置Websocket，表示希望升级到Websocket协议

Connection: Upgrade   
#Connection必须设置Upgrade，表示客户端希望连接升级

Host: example.com
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Key: N9cRrP/n9NdMgdcy2VJFQghu== 
#Sec-WebSocket-Key是一串随机的字符串，服务器使用SHA算法，base64编码之后，将结果做为“Sec-WebSocket-Accept”头的值，返回给客户端。如此操作，可以**尽量避免普通HTTP请求被误认为Websocket协议**

Sec-WebSocket-Version: 13

服务器回应：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: BooB7FAkLlXgRSz0BT3v4hq5s=
Sec-WebSocket-Location: ws://example.com/

握手过程解析：

第一步：服务端开启socket，监听某个ip和端口。等待连接…

第二步：客户端connect连接服务端（ip，端口）

第三步：服务端允许连接…

第四部：客户端发送握手请求，客户端自己生成的一个特殊值发给服务器（魔法字符串migic string），发送之前客户端会自己先加密，保存。

第五步：服务器接收到特殊字符串后，经过SHA1加密，加密后把值发给客户端

第六步：客户端接收到加密后的值后，与之前的保存的值校验，如果校验通过，说明对方也是websocket协议，ok，握手成功，可以双方收发数据了。

Websocket总结：

  • 节省资源开销

     。服务器到客户端的内容，头部大小只有2至10字节（和数据包长度有关），而HTTP请求每次都要携带完整的头部。

  • 更强的实时性

     。因为协议是全双工的，所以服务器可以随时主动给客户端下发数据。

  • 保持连接状态

     .Websocket需要先创建连接，这就使得其成为一种有状态的协议，之后通信时可以省略部分状态信息。而HTTP请求可能需要在每个请求都携带状态信息（如身份认证等）。

  • 更好的二进制支持

     。Websocket定义了二进制帧，相对HTTP，可以更轻松地处理二进制内容。

  • 可扩展

     。Websocket定义了扩展，用户可以扩展协议、实现部分自定义的子协议。如部分浏览器支持压缩等。

  • 更好的压缩效果

     。相对于HTTP压缩，Websocket在适当的扩展支持下，可以沿用之前内容的上下文，在传递类似的数据时，可以显著地提高压缩率。

  • 没有同源限制

     。客户端可以与任意服务器通信。

  • 可以发送文本，也可以发送二进制数据

     。

二、Socket.IO介绍：

1，Socket.IO是什么？

Socket.IO 基于WebSocket协议，现在已成为Web即时通讯应用的框架，WebSocket只是Socket.IO实现即时通讯的其中一种技术依赖。

2，Socket.IO优点：

Socket.IO 会自动选择合适双向通信协议

有Python库的实现，可以在Python实现的Web应用中去实现IM后台服务。

https://python-socketio.readthedocs.io/en/latest/server.html

3，Socket.IO缺点：

Socket.io要求客户端与服务器端均须使用该框架。

三、python 服务器端开发

1，安装： 

pip install python-socketio

2，服务器部署方案：

下面主要使用协程eventlet库部署服务器，其他服务器部署方案，后面会详细介绍。

选择协程方案的原因：

  • 使用eventlet部署的Socket.IO服务器可以访问长轮询和WebSocket传输。
  • 也可以使用协程gevent部署，只不过gevent不支持websocket，要安装gevent-websocket 包才行。
  • 若服务器采用多进程或多线程方式，受限于服务器能创建的进程或线程数，能够支持的并发连接客户端不会很高，服务器性能有限。 
import eventlet
eventlet.monkey_patch()

import socketio
import eventlet.wsgi

sio = socketio.Server(async_mode='eventlet')  # 指明在evenlet模式下
app = socketio.Middleware(sio)
eventlet.wsgi.server(eventlet.listen(('', 8000)), app)

3，事件处理方法如下： 

@sio.on('connect')
def on_connect(sid, environ):
    """
    与客户端建立好连接后被执行
    :param sid: string sid是socketio为当前连接客户端生成的识别id
    :param environ: dict 在连接握手时客户端发送的握手数据(HTTP报文解析之后的字典)
    """
    pass

@sio.on('disconnect')
def on_disconnect(sid):
    """
    与客户端断开连接后被执行
    :param sid: string sid是断开连接的客户端id
    """
    pass

# 以字符串的形式表示一个自定义事件，事件的定义由前后端约定
@sio.on('my custom event')  
def my_custom_event(sid, data):
    """
    自定义事件消息的处理方法
    :param sid: string sid是发送此事件消息的客户端id
    :param data: data是客户端发送的消息数据
    """
    pass
提示：

SocketIO：对收发的数据以消息（message）来对待，收发的不同类别的消息数据又以**事件（event）**来区分。

connect 为特殊事件，当客户端连接后自动执行

disconnect 为特殊事件，当客户端断开连接后自动执行

connect、disconnect与自定义事件处理方法的函数传入参数不同

4,发送消息（emit）

发送消息可以单独发给某个用户，也可以群发，SocketIO提供了

房间（room）

来为客户端分组，也可以发到某个房间，参考如下方法：

1.发给某个用户(指定用户id)

2.群发（不指定id号）

3.将连接的客户端放入一个room中 : sio.enter_room(sid, room_name)

@sio.on('chat')
  def begin_chat(sid):
      sio.enter_room(sid, 'chat_users')

4.将客户从某个房间移除： sio.leave_room(sid, room_name)

@sio.on('exit_chat')
  def exit_chat(sid):
      sio.leave_room(sid, 'chat_users')

5.查询sid所在的房间，给一组用户发送消息：sio.rooms(sid)

@sio.on('my message')
def message(sid, data):
  sio.emit('my reply', data, room='chat_users')

6.也可跳过某个客户端，使用 skip_sid参数

@sio.event
def message(sid, data):
    sio.emit('my reply', data, room='chat_users', skip_sid=sid)

7.使用send发送message事件消息

sio.send({'data': 'foobar'})
sio.send({'data': 'foobar'}, room=user_sid)

机器人聊天服务实现

第一步：创建AI文件夹，创建server.py

import socketio

# 创建sio对象
sio = socketio.Server(async_mode='eventlet')
app = socketio.Middleware(sio)

第二步：创建chart.py聊天室

import time
from server import sio

@sio.on("connect")
def on_connect(sid, environ):
    """
    与客户端建立好连接后被执行

    :param sid: string sid是socketio为当前连接客户端生成的识别id
    :param environ: dict 在连接握手时客户端发送的握手数据(HTTP报文解析之后的字典)
    
    # sio.emit(消息事件类型， 消息数据内容， 接收人)
    """
 
    data = {
        "msg": "hello carry",   #发送的内容
        'timestamp': round(time.time() * 1000)   #时间戳
    }

    sio.emit("message", data, room=sid)  


@sio.on("message")
def on_message(sid, data):
    """
    客户端发送消息，on_message执行

    :param sid: string sid是socketio为当前连接客户端生成的识别id
    :param environ: dict 在连接握手时客户端发送的握手数据(HTTP报文解析之后的字典)

    # sio.emit(消息事件类型， 消息数据内容， 接收人)
    """

    resp_data = {
        "msg": "hello carry~~~,接收到你的消息：{}".format(data.get('msg')),
        'timestamp': round(time.time() * 1000)
    }

    sio.emit("message", resp_data, room=sid)

第三步：main.py

import eventlet
eventlet.monkey_patch()   
#使用猴子补丁，在遇到阻塞时，不用修改源代码，也能执行下面代码

from server import app
import chat

# 创建eventlet服务器对象
sock = eventlet.listen(('0.0.0.0', 8000)) 

# 启动socketio服务器
eventlet.wsgi.server(sock, app)

温馨提示：

1.测试之前需要在谷歌上安装Firecamp插件

WebSocket协议和Socket.IO框架

2.启动终端命令：

python main.py

3.点击网址后面小火苗（Firecamp）标志，进入上图，点击Socket.IO进入以下图片，流程及步骤。

WebSocket协议和Socket.IO框架

参考资料：

AIOHTTP：https://aiohttp.readthedocs.io/en/stable/

python-socket：https://python-socketio.readthedocs.io/en/latest/server.html

flask-socket：https://flask-socketio.readthedocs.io/en/latest/

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