WebSocket协议和Socket.IO框架

一、WebSocket介绍&＃xff1a;

1,WebSocket是什么&＃xff1f;

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&＃xff0c;浏览器和服务器只需要完成一次握手&＃xff08;不是指建立TCP连接的那个三次握手&＃xff0c;是指在建立TCP连接后传输一次握手数据&＃xff09;&＃xff0c;两者之间就直接可以创建持久性的连接&＃xff0c;并进行双向数据传输。

WebSocket是H5新增的一重通信协议&＃xff0c;为了更好的节省服务器资源和带宽&＃xff0c;并且能够更实时地进行通讯。

2,WebSocket与TCP、HTTP之间有什么关系&＃xff1f;

WebSocket和HTTP都是基于TCP创建的&＃xff0c;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&＃xff0c;一次握手成功之后&＃xff0c;就不需要HTTP了&＃xff0c;而是使用TCP的传输通道&＃xff0c;开始收发数据&＃xff0c;这就是上面所说的双向连接。

3&＃xff0c;WebSocket使用场景&＃xff1f;

• 用户下了订单&＃xff0c;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&＃xff0c;需要向用户B推送消息
• 有一些游戏&＃xff0c;既支持手机端&＃xff0c;也支持web端时&＃xff0c;需要用到。
• 网页版即时聊天、弹幕等

4&＃xff0c;为什么选择WebSocket而不是其他&＃xff1f;

1. HTTP/1.x 版本不支持服务器主动推送&＃xff0c;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&＃xff0c;但HTTP/2 还未全面实施
3. 轮询 &＃xff1a;每隔一段时间就会想服务器发送请求&＃xff0c;询问是否有新的消息&＃xff0c;必须不停连接&＃xff0c;或者连接始终打开&＃xff0c;效率低下&＃xff0c;浪费资源。
4. Comet &＃xff08;基于长连接&＃xff09;长轮询是在打开一条连接以后保持&＃xff0c;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&＃xff0c;而且长连接也会消耗服务器资源。

**综上所述&＃xff1a;HTTP、轮询、长轮询都不太合适**。而WebSocket呢&＃xff1f;看下面介绍&＃xff1a;

5&＃xff0c;典型的Websocket握手请求如下&＃xff1a;

客户端请求&＃xff1a;

GET / HTTP/1.1
Upgrade: websocket
#Upgrade字段必须设置Websocket&＃xff0c;表示希望升级到Websocket协议Connection: Upgrade
#Connection必须设置Upgrade&＃xff0c;表示客户端希望连接升级Host: example.com
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Key: N9cRrP/n9NdMgdcy2VJFQghu&＃61;&＃61;
#Sec-WebSocket-Key是一串随机的字符串&＃xff0c;服务器使用SHA算法&＃xff0c;base64编码之后&＃xff0c;将结果做为“Sec-WebSocket-Accept”头的值&＃xff0c;返回给客户端。如此操作&＃xff0c;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&＃xff1a;

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: BooB7FAkLlXgRSz0BT3v4hq5s&＃61;
Sec-WebSocket-Location: ws://example.com/


握手过程解析&＃xff1a;

第一步&＃xff1a;服务端开启socket&＃xff0c;监听某个ip和端口。等待连接…
第二步&＃xff1a;客户端connect连接服务端&＃xff08;ip&＃xff0c;端口&＃xff09;
第三步&＃xff1a;服务端允许连接…
第四部&＃xff1a;客户端发送握手请求&＃xff0c;客户端自己生成的一个特殊值发给服务器&＃xff08;魔法字符串migic string&＃xff09;&＃xff0c;发送之前客户端会自己先加密&＃xff0c;保存。
第五步&＃xff1a;服务器接收到特殊字符串后&＃xff0c;经过SHA1加密&＃xff0c;加密后把值发给客户端
第六步&＃xff1a;客户端接收到加密后的值后&＃xff0c;与之前的保存的值校验&＃xff0c;如果校验通过&＃xff0c;说明对方也是websocket协议&＃xff0c;ok&＃xff0c;握手成功&＃xff0c;可以双方收发数据了。

Websocket总结&＃xff1a;

• 节省资源开销。服务器到客户端的内容&＃xff0c;头部大小只有2至10字节&＃xff08;和数据包长度有关&＃xff09;&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;这就使得其成为一种有状态的协议&＃xff0c;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&＃xff08;如身份认证等&＃xff09;。
• 更好的二进制支持。Websocket定义了二进制帧&＃xff0c;相对HTTP&＃xff0c;可以更轻松地处理二进制内容。
• 可扩展。Websocket定义了扩展&＃xff0c;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&＃xff0c;Websocket在适当的扩展支持下&＃xff0c;可以沿用之前内容的上下文&＃xff0c;在传递类似的数据时&＃xff0c;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&＃xff0c;也可以发送二进制数据。

二、Socket.IO介绍&＃xff1a;

1&＃xff0c;Socket.IO是什么&＃xff1f;

Socket.IO 基于WebSocket协议&＃xff0c;现在已成为Web即时通讯应用的框架&＃xff0c;WebSocket只是Socket.IO实现即时通讯的其中一种技术依赖。

2&＃xff0c;Socket.IO优点&＃xff1a;

Socket.IO 会自动选择合适双向通信协议
有Python库的实现&＃xff0c;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&＃xff0c;Socket.IO缺点&＃xff1a;

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&＃xff0c;安装&＃xff1a;

pip install python-socketio


2&＃xff0c;服务器部署方案&＃xff1a;

下面主要使用协程eventlet库部署服务器&＃xff0c;其他服务器部署方案&＃xff0c;后面会详细介绍。

选择协程方案的原因&＃xff1a;

• 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&＃xff0c;只不过gevent不支持websocket&＃xff0c;要安装gevent-websocket 包才行。
• 若服务器采用多进程或多线程方式&＃xff0c;受限于服务器能创建的进程或线程数&＃xff0c;能够支持的并发连接客户端不会很高&＃xff0c;服务器性能有限。

import eventlet
eventlet.monkey_patch()import socketio
import eventlet.wsgisio &＃61; socketio.Server(async_mode&＃61;&＃39;eventlet&＃39;) # 指明在evenlet模式下
app &＃61; socketio.Middleware(sio)
eventlet.wsgi.server(eventlet.listen((&＃39;&＃39;, 8000)), app)

3&＃xff0c;事件处理方法如下&＃xff1a;

&＃64;sio.on(&＃39;connect&＃39;)
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&＃64;sio.on(&＃39;disconnect&＃39;)
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&＃xff0c;事件的定义由前后端约定
&＃64;sio.on(&＃39;my custom event&＃39;)
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&＃xff1a;

SocketIO&＃xff1a;对收发的数据以消息&＃xff08;message&＃xff09;来对待&＃xff0c;收发的不同类别的消息数据又以**事件&＃xff08;event&＃xff09;**来区分。
connect 为特殊事件&＃xff0c;当客户端连接后自动执行
disconnect 为特殊事件&＃xff0c;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&＃xff08;emit&＃xff09;

发送消息可以单独发给某个用户&＃xff0c;也可以群发&＃xff0c;SocketIO提供了 房间&＃xff08;room&＃xff09;来为客户端分组&＃xff0c;也可以发到某个房间&＃xff0c;参考如下方法&＃xff1a;

1.发给某个用户(指定用户id)

sio.emit(&＃39;my event&＃39;, {&＃39;data&＃39;: &＃39;foobar&＃39;}, room&＃61;user_sid)


2.群发&＃xff08;不指定id号&＃xff09;

sio.emit(&＃39;my event&＃39;, {&＃39;data&＃39;: &＃39;foobar&＃39;})


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

&＃64;sio.on(&＃39;chat&＃39;)def begin_chat(sid):sio.enter_room(sid, &＃39;chat_users&＃39;)


4.将客户从某个房间移除&＃xff1a; sio.leave_room(sid, room_name)

&＃64;sio.on(&＃39;exit_chat&＃39;)def exit_chat(sid):sio.leave_room(sid, &＃39;chat_users&＃39;)


5.查询sid所在的房间&＃xff0c;给一组用户发送消息&＃xff1a;sio.rooms(sid)

&＃64;sio.on(&＃39;my message&＃39;)
def message(sid, data):sio.emit(&＃39;my reply&＃39;, data, room&＃61;&＃39;chat_users&＃39;)


6.也可跳过某个客户端&＃xff0c;使用 skip_sid参数

&＃64;sio.event
def message(sid, data):sio.emit(&＃39;my reply&＃39;, data, room&＃61;&＃39;chat_users&＃39;, skip_sid&＃61;sid)


7.使用send发送message事件消息

sio.send({&＃39;data&＃39;: &＃39;foobar&＃39;})
sio.send({&＃39;data&＃39;: &＃39;foobar&＃39;}, room&＃61;user_sid)


机器人聊天服务实现

第一步&＃xff1a;创建AI文件夹&＃xff0c;创建server.py

import socketio# 创建sio对象
sio &＃61; socketio.Server(async_mode&＃61;&＃39;eventlet&＃39;)
app &＃61; socketio.Middleware(sio)


第二步&＃xff1a;创建chart.py聊天室

import time
from server import sio&＃64;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&＃xff0c; 消息数据内容&＃xff0c; 接收人)"""data &＃61; {"msg": "hello carry", #发送的内容&＃39;timestamp&＃39;: round(time.time() * 1000) #时间戳}sio.emit("message", data, room&＃61;sid) &＃64;sio.on("message")
def on_message(sid, data):"""客户端发送消息&＃xff0c;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&＃xff0c; 消息数据内容&＃xff0c; 接收人)"""resp_data &＃61; {"msg": "hello carry~~~,接收到你的消息&＃xff1a;{}".format(data.get(&＃39;msg&＃39;)),&＃39;timestamp&＃39;: round(time.time() * 1000)}sio.emit("message", resp_data, room&＃61;sid)


第三步&＃xff1a;main.py

import eventlet
eventlet.monkey_patch()
#使用猴子补丁&＃xff0c;在遇到阻塞时&＃xff0c;不用修改源代码&＃xff0c;也能执行下面代码from server import app
import chat# 创建eventlet服务器对象
sock &＃61; eventlet.listen((&＃39;0.0.0.0&＃39;, 8000)) # 启动socketio服务器
eventlet.wsgi.server(sock, app)

温馨提示&＃xff1a;
1.测试之前需要在谷歌上安装Firecamp插件

2.启动终端命令&＃xff1a;

python main.py


3.点击网址后面小火苗&＃xff08;Firecamp&＃xff09;标志&＃xff0c;进入上图&＃xff0c;点击Socket.IO进入以下图片&＃xff0c;流程及步骤。

参考资料&＃xff1a;

AIOHTTP&＃xff1a;https://aiohttp.readthedocs.io/en/stable/
python-socket&＃xff1a;https://python-socketio.readthedocs.io/en/latest/server.html
flask-socket&＃xff1a;https://flask-socketio.readthedocs.io/en/latest/