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一文让你看懂Golang如何打造实时聊天系统

项目截图

简介

在本次课程中,我们来学习使用WebSocket来打造一个实时聊天系统。我们会从一下几个方面来进行学习:

  1. 什么是websocket;
  2. Websocket与传统的HTTP协议有什么区别;
  3. Websocket有哪些优点;
  4. 如何建立连接;
  5. 如何维持连接;
  6. Golang实战项目—实时聊天系统;
  7. 总结;

什么是websocket?

WebSocket协议是基于TCP的一种新的网络协议。它实现了浏览器与服务器全双工(full-duplex)通信——允许服务器主动发送信息给客户端。

WebSocket通信协议于2011年被IETF定为标准RFC 6455,并被RFC7936所补充规范。

WebSocket协议支持(在受控环境中运行不受信任的代码的)客户端与(选择加入该代码的通信的)远程主机之间进行全双工通信。用于此的安全模型是Web浏览器常用的基于原始的安全模式。 协议包括一个开放的握手以及随后的TCP层上的消息帧。 该技术的目标是为基于浏览器的、需要和服务器进行双向通信的(服务器不能依赖于打开多个HTTP连接(例如,使用XMLHttpRequest或iframe和长轮询))应用程序提供一种通信机制。

Websocket与传统的HTTP协议有什么区别?

http,websocket都是应用层协议,他们规定的是数据怎么封装,而他们传输的通道是下层提供的。就是说无论是 http 请求,还是 WebSocket 请求,他们用的连接都是传输层提供的,即 tcp 连接(传输层还有 udp 连接)。只是说 http1.0 协议规定,你一个请求获得一个响应后,你要把连接关掉。所以你用 http 协议发送的请求是无法做到一直连着的(如果服务器一直不返回也可以保持相当一段时间,但是也会有超时而被断掉)。而 WebSocket 协议规定说等握手完成后我们的连接不能断哈。虽然 WebSocket 握手用的是 http 请求,但是请求头和响应头里面都有特殊字段,当浏览器或者服务端收到后会做相应的协议转换。所以 http 请求被 hold 住不返回的长连接和 WebSocket 的连接是有本质区别的。

WebSocket有哪些优点?

说到优点,这里的对比参照物是HTTP协议,概括地说就是:支持双向通信,更灵活,更高效,可扩展性更好。

  1. 支持双向通信,实时性更强。
  2. 更好的二进制支持。
  3. 较少的控制开销。连接创建后,ws客户端、服务端进行数据交换时,协议控制的数据包头部较小。在不包含头部的情况下,服务端到客户端的包头只有2~10字节(取决于数据包长度),客户端到服务端的的话,需要加上额外的4字节的掩码。而HTTP协议每次通信都需要携带完整的头部。
  4. 支持扩展。ws协议定义了扩展,用户可以扩展协议,或者实现自定义的子协议。(比如支持自定义压缩算法等)

对于后面两点,没有研究过WebSocket协议规范的同学可能理解起来不够直观,但不影响对WebSocket

如何建立连接?

客户端通过HTTP请求与WebSocket服务端协商升级协议。协议升级完成后,后续的数据交换则遵照WebSocket的协议。

1. 客户端:申请协议升级

首先,客户端发起协议升级请求。可以看到,采用的是标准的HTTP报文格式,且只支持GET方法。

 GET / HTTP/1.1
Host: localhost:8080
Origin: 
Connection: Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Version: 13
Sec-WebSocket-Key: w4v7O6xFTi36lq3RNcgctw==  

重点请求首部意义如下:

  • Connection: Upgrade:表示要升级协议
  • Upgrade: websocket:表示要升级到websocket协议。
  • Sec-WebSocket-Version: 13:表示websocket的版本。如果服务端不支持该版本,需要返回一个Sec-WebSocket-Versionheader,里面包含服务端支持的版本号。
  • Sec-WebSocket-Key:与后面服务端响应首部的Sec-WebSocket-Accept是配套的,提供基本的防护,比如恶意的连接,或者无意的连接。

2. 服务器:响应协议升级

服务端返回内容如下,状态代码101表示协议切换。到此完成协议升级,后续的数据交互都按照新的协议来。

 HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Connection:Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Accept: Oy4NRAQ13jhfONC7bP8dTKb4PTU=  

3. Sec-WebSocket-Accept的计算

Sec-WebSocket-Accept根据客户端请求首部的Sec-WebSocket-Key计算出来。

计算公式为:

  1. 将Sec-WebSocket-Key跟258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11拼接。
  2. 通过SHA1计算出摘要,并转成base64字符串。

如何维持连接?

WebSocket为了保持客户端、服务端的实时双向通信,需要确保客户端、服务端之间的TCP通道保持连接没有断开。然而,对于长时间没有数据往来的连接,如果依旧长时间保持着,可能会浪费包括的连接资源。

但不排除有些场景,客户端、服务端虽然长时间没有数据往来,但仍需要保持连接。这个时候,可以采用心跳来实现。

  • 发送方->接收方: ping
  • 接收方->发送方:pong

ping、pong的操作,对应的是WebSocket的两个控制帧,opcode分别是0x9、0xA。

举例,WebSocket服务端向客户端发送ping,只需要如下代码(采用ws模块)

Golang实战项目—实时聊天系统

这里是使用 Github 上的一个开源项目作为案例。

获取Golang的websocket库

 go get github.com/gorilla/websocket  

获取测试程序

 git clone   

Server

 package main

import (
    "log"
    "net/http"

    "github.com/gorilla/websocket"
)

var clients = make(map[*websocket.Conn]bool) // connected clients
var broadcast = make(chan  message )           // broadcast channel

// Configure the upgrader
var upgrader = websocket.Upgrader{
    CheckOrigin: func(r *http.Request) bool {
        return true
    },
}

// Define our message object
type Message struct {
    Email    string ` json :"email"`
    Username string `json:"username"`
    Message  string `json:"message"`
}

func main() {
    // Create a simple file server
    fs := http.FileServer(http.Dir("../public"))
    http.Handle("/", fs)

    // Configure websocket route
    http.HandleFunc("/ws", handleConnections)

    // Start listening for incoming chat messages
    go handleMessages()

    // Start the server on localhost port 8000 and log any errors
    log.Println("http server started on :8000")
    err := http.ListenAndServe(":8000", nil)
    if err != nil {
        log.Fatal("ListenAndServe: ", err)
    }
}

func handleConnections(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    // Upgrade initial GET request to a websocket
    ws, err := upgrader.Upgrade(w, r, nil)
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
    // Make sure we  Close  the connection when the  function  returns
    defer ws.Close()

    // Register our new client
    clients[ws] = true

    for {
        var  msg  Message
        // Read in a new message as JSON and map it to a Message object
        err := ws.ReadJSON(&msg)
        if err != nil {
            log.Printf("error: %v", err)
            delete(clients, ws)
            break
        }
        // Send the newly received message to the broadcast channel
        broadcast <- msg
    }
}

func handleMessages() {
    for {
        // Grab the next message from the broadcast channel
        msg := <-broadcast
        // Send it out to every client that is currently connected
        for client := range clients {
            err := client.WriteJSON(msg)
            if err != nil {
                log.Printf("error: %v", err)
                client.Close()
                delete(clients, client)
            }
        }
    }
}  

客户端

 new Vue({
    el: '#app',

    data: {
        ws: null, // Our websocket
        newMsg: '', // Holds new messages to be sent to the server
        chatContent: '', // A running list of chat messages displayed on the screen
        email: null, // Email address used for grabbing an avatar
        username: null, // Our username
        joined: false // True if email and username have been filled in
    },

    created: function() {
        var self = this;
        this.ws = new WebSocket('ws://' + window.location.host + '/ws');
        this.ws.addEventListener('message', function(e) {
            var msg = JSON.parse(e.data);
            self.chatContent += '<div class="chip">'
                    + '<img src="'%20+%20self.gravatarURL(msg.email)%20+%20'">' // Avatar
                    + msg.username
                + '</div>'
                + emojione.toImage(msg.message) + '<br/>'; // Parse emojis

            var element = document.getElementById('chat-messages');
            element.scrollTop = element.scrollHeight; // Auto scroll to the bottom
        });
    },

    methods: {
        send: function () {
            if (this.newMsg != '') {
                this.ws.send(
                    JSON.stringify({
                        email: this.email,
                        username: this.username,
                        message: $('<p>'). html (this.newMsg).text() // Strip out html
                    }
                ));
                this.newMsg = ''; // Reset newMsg
            }
        },

        join: function () {
            if (!this.email) {
                Materialize.toast('You must enter an email', 2000);
                return
            }
            if (!this.username) {
                Materialize.toast('You must choose a username', 2000);
                return
            }
            this.email = $('<p>').html(this.email).text();
            this.username = $('<p>').html(this.username).text();
            this.joined = true;
        },

        gravatarURL: function(email) {
            return '#39; + CryptoJS.MD5(email);
        }
    }
});  

总结

具体使用什么技术是需要根据使用场景进行选择的,在这里我为大家总结了http和websocket不同的使用场景,请大家参考。

HTTP :

  • 检索资源(Retrieve Resource)
  • 高度可缓存的资源(Highly Cacheable Resource)
  • 幂等性和安全性(Idempotency and Safety)
  • 错误方案(Error Scenarios)

websockt

  • 快速响应时间(Fast Reaction Time)
  • 持续更新(Ongoing Updates)
  • Ad-hoc消息传递(Ad-hoc Messaging)

错误的HTTP应用场景

  • 依赖于客户端轮询服务,而不是由用户主动发起。
  • 需要频繁的服务调用来发送小消息。
  • 客户端需要快速响应对资源的更改,并且,无法预测更改何时发生。

错误的WebSockets应用场景

  • 连接仅用于极少数事件或非常短的时间,客户端无需快速响应事件。
  • 需要一次打开多个WebSockets到同一服务。
  • 打开WebSocket,发送消息,然后关闭它 – 然后再重复该过程。
  • 消息传递层中重新实现请求/响应模式。

敲重点啦

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文章来源:智云一二三科技

文章标题:一文让你看懂Golang如何打造实时聊天系统

文章地址:https://www.zhihuclub.com/86826.shtml

关于作者: 智云科技

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