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阿Han
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【Web微知識系列】雙向溝通的技術，什麼是Websocket？

阿Han
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進入本篇章前建議您可以先了解以下兩個篇章，主要是介紹單向過程中的訂閱概念：

這種雙向溝通機制主要是為了更即時的反應，舉例來說今天我們有一個應用是即時語音辨識，那麼勢必會有一個互動的過程，使用者端進行錄音後，即時的送到伺服器進行辨識並將辨識結果即時呈現於畫面上時，就必須透過這種雙向溝通機制才能完成。

簡介

傳統的Http是一種Stateless的傳輸方式， 因此不會維持原本狀態， 而是需要更新、新增、查詢...等操作時才進行請求， 因此假設有即時性互動的應用時就不太適用了， 因為每進行一個動作就要向Server端發送請求， 而每次的請求都必須經過交握式連接的過程， 在效能上就不是那麼理想了， Websocket允許瀏覽器跟Server端只經過一次的交握過程， 就能建立一條長連接的溝通管道， 並透過這條管道進行「雙向傳輸」。

Websocket與TCP、HTTP的關係

  • Websocket與HTTP屬於應用層， 同樣都是基於TCP來進行傳輸， 而進行Handshake時也會透過HTTP進行， 但真正傳輸資料時就不必經過HTTP的方式。

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  • 與HTTP一樣可以進行加密傳輸， HTTP的部份為https， Websocket則為wss。

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為什麼要使用Websocket？

其實以往我們網頁資料刷新有以下幾種方式可以實作：

Polling

這種方式是早期透過Javascript定時(setInterval、setTimeout)來向後端請求最新資料並呈現於頁面之上， 這麼做的好處是容易實現， 但我們並不知曉Server端何時會更新， 只能傻傻的定時獲取， 造成的影響就是頻寬的浪費以及資料呈現不即時。

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Long-Polling

長時間輪詢的方式就是收到前端請求後， Server端會等待， 若這段時間有資料就會將最新資料回傳給前端， 因此等待的這段期間Client什麼事情也不用做， 等待資料回傳後再發送下一個請求， 雖然長時間的連接解決了Polling開銷的問題， 但如果在更新資料很頻繁的狀況下也會造成連續的Polling的動作產生， 未必效能較佳。

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Server Sent Events

這種方式比較少被使用， 因為SSE能做的功能Websocket也能完成， 差別只是雙向溝通還是單向溝通而已， 不過在某些應用上， 瀏覽器不太需要傳遞資料給Server端， 例如： 股市行情、即時新聞...等， 只需要接收Server端的最新資料即可， 不太需要主動發送， 當然實作起來也較容易， 簡單來說就是伺服端單向的推送資料給瀏覽器。

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Websocket

以上幾個方式的共同點就是都基於HTTP進行傳輸， 而我們也知道HTTP的傳輸為了確保正確性會帶有較多的標頭...等資訊， 而Websocket只有一開始確定連線時會走HTTP以外， 之後的傳輸都不是基於HTTP， 因此傳輸上會來的更有效率， 且提供了雙向溝通的功能。

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常見的線上互動遊戲、雲端協作、線上聊天...等， 若使用上述的幾種方式都有延遲的議題存在，因此需要即時互動的應用就非常適合使用Websocket的方式來進行實作。

建立連接

  • 以javascript來說， 通常我們在建立Websocket物件的時候， Browser就開始進行Handshake的過程。
var socket = new WebSocket("ws://127.0.0.1:8080/ws")
  • 建立連線成功後，會發送支援的版本號、主機地址...等資訊給Server端。
Accept-Encoding: gzip, deflate

Accept-Language: zh-TW,zh;q=0.9,en-US;q=0.8,en;q=0.7

Cache-Control: no-cache

Connection: Upgrade

Host: 127.0.0.1:8080

Origin: http:*//127.0.0.1:8080*

Pragma: no-cache

Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits

Sec-WebSocket-Key: sZrnswRjM0ZXxxmAIJhrvQ==

Sec-WebSocket-Version: 13

Upgrade: websocket

User-Agent: Mozilla/5.0 (X11; Linux x86_64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/87.0.4280.141 Safari/537.36
  • Server端收到後會回傳狀態碼101及相關資訊。
HTTP/1.1 101 Switching Protocols

Upgrade: websocket

Connection: Upgrade

Sec-WebSocket-Accept: 3zg/SIKvYpT51lJJKbF4WjFuCTY=

Access-Control-Allow-Origin: *

Access-Control-Allow-Headers: Accept, Content-Type, Content-Length, Accept-Encoding, X-CSRF-Token, Authorization
  • 如果過程失敗的話就會進入onerror的handler， 成功的話就代表可以開始傳輸資料。

如何確保連線狀態

假設連線的過程中發生了以下兩種狀況：

  1. 長時間不發送訊息或者防火牆阻擋了連接， Server端無法得知。
  2. Client端與Server端之間斷開網路， Server端也未感知。

此時就需要一種Heartbeat的機制， 來偵測彼此的連線是否存活。

  1. 由發送端發送ping訊號給接收端。
  2. 接收端成功收到之後， 回應pong訊號給發送端。
  3. 成功接收到pong訊號， 代表連線正常。
發送端 -> ping -> 接收端

發送端 <- pong <- 接收端

對於Client端來說就有開發者提供了Heartbeat的套件websocket-heartbeat-js， 讓我們開發前端時省去自行實做的時間。

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