微信、QQ這類IM App怎麼做——談談Websocket

前言

關於我和WebSocket的緣：我從大二在計算機網路課上聽老師講過之後，第一次使用就到了畢業之後的第一份工作。直到最近換了工作，到了一家是含有IM社交聊天功能的app的時候，我覺得我現在可以談談我對WebSocket/Socket的一些看法了。要想做IM聊天app，就不得不理解WebSocket和Socket的原理了，聽我一一道來。

目錄

• 1.WebSocket使用場景
• 2.WebSocket誕生由來
• 3.談談WebSocket協議原理
• 4.WebSocket 和 Socket的區別與聯絡
• 5.iOS平臺有哪些WebSocket和Socket的開源框架
• 6.iOS平臺如何實現WebSocket協議

一.WebSocket的使用場景

1.社交聊天

最著名的就是微信，QQ，這一類社交聊天的app。這一類聊天app的特點是低延遲，高即時。即時是這裡面要求最高的，如果有一個緊急的事情，通過IM軟體通知你，假設網路環境良好的情況下，這條message還無法立即送達到你的客戶端上，緊急的事情都結束了，你才收到訊息，那麼這個軟體肯定是失敗的。

2.彈幕

說到這裡，大家一定裡面想到了A站和B站了。確實，他們的彈幕一直是一種特色。而且彈幕對於一個視訊來說，很可能彈幕才是精華。發彈幕需要實時顯示，也需要和聊天一樣，需要即時。

3.多玩家遊戲

4.協同編輯

現在很多開源專案都是分散在世界各地的開發者一起協同開發，此時就會用到版本控制系統，比如Git，SVN去合併衝突。但是如果有一份文件，支援多人實時線上協同編輯，那麼此時就會用到比如WebSocket了，它可以保證各個編輯者都在編輯同一個文件，此時不需要用到Git，SVN這些版本控制，因為在協同編輯介面就會實時看到對方編輯了什麼，誰在修改哪些段落和文字。

5.股票基金實時報價

金融界瞬息萬變——幾乎是每毫秒都在變化。如果採用的網路架構無法滿足實時性，那麼就會給客戶帶來巨大的損失。幾毫秒錢股票開始大跌，幾秒以後才重新整理資料，一秒鐘的時間內，很可能使用者就已經損失巨大財產了。

6.體育實況更新

全世界的球迷，體育愛好者特別多，當然大家在關心自己喜歡的體育活動的時候，比賽實時的賽況是他們最最關心的事情。這類新聞中最好的體驗就是利用Websocket達到實時的更新！

7.視訊會議/聊天

視訊會議並不能代替和真人相見，但是他能讓分佈在全球天涯海角的人聚在電腦前一起開會。既能節省大家聚在一起路上花費的時間，討論聚會地點的糾結，還能隨時隨地，只要有網路就可以開會。

8.基於位置的應用

越來越多的開發者借用移動裝置的GPS功能來實現他們基於位置的網路應用。如果你一直記錄使用者的位置(比如執行應用來記錄運動軌跡)，你可以收集到更加細緻化的資料。

9.線上教育

線上教育近幾年也發展迅速。優點很多，免去了場地的限制，能讓名師的資源合理的分配給全國各地想要學習知識的同學手上，Websocket是個不錯的選擇，可以視訊聊天、即時聊天以及其與別人合作一起在網上討論問題…

10.智慧家居

這也是我一畢業加入的一個偉大的物聯網智慧家居的公司。考慮到家裡的智慧裝置的狀態必須需要實時的展現在手機app客戶端上，毫無疑問選擇了Websocket。

11.總結

從上面我列舉的這些場景來看，一個共同點就是，高實時性！

二.WebSocket誕生由來

1.最開始的輪詢Polling階段

這種方式下，是不適合獲取實時資訊的，客戶端和伺服器之間會一直進行連線，每隔一段時間就詢問一次。客戶端會輪詢，有沒有新訊息。這種方式連線數會很多，一個接受，一個傳送。而且每次傳送請求都會有Http的Header，會很耗流量，也會消耗CPU的利用率。

2.改進版的長輪詢Long polling階段

長輪詢是對輪詢的改進版，客戶端傳送HTTP給伺服器之後，有沒有新訊息，如果沒有新訊息，就一直等待。當有新訊息的時候，才會返回給客戶端。在某種程度上減小了網路頻寬和CPU利用率等問題。但是這種方式還是有一種弊端：例如假設伺服器端的資料更新速度很快，伺服器在傳送一個資料包給客戶端後必須等待客戶端的下一個Get請求到來，才能傳遞第二個更新的資料包給客戶端，那麼這樣的話，客戶端顯示實時資料最快的時間為2×RTT（往返時間），而且如果在網路擁塞的情況下，這個時間使用者是不能接受的，比如在股市的的報價上。另外，由於http資料包的頭部資料量往往很大（通常有400多個位元組），但是真正被伺服器需要的資料卻很少（有時只有10個位元組左右），這樣的資料包在網路上週期性的傳輸，難免對網路頻寬是一種浪費。

3.WebSocket誕生

現在急需的需求是能支援客戶端和伺服器端的雙向通訊，而且協議的頭部又沒有HTTP的Header那麼大，於是，Websocket就誕生了！

上圖就是Websocket和Polling的區別，從圖中可以看到Polling裡面客戶端傳送了好多Request，而下圖，只有一個Upgrade，非常簡潔高效。至於消耗方面的比較就要看下圖了

上圖中，我們先看藍色的柱狀圖，是Polling輪詢消耗的流量，

Use case A: 1,000 clients polling every second: Network throughput is (871 x 1,000) = 871,000 bytes = 6,968,000 bits per second (6.6 Mbps)

Use case B: 10,000 clients polling every second: Network throughput is (871 x 10,000) = 8,710,000 bytes = 69,680,000 bits per second (66 Mbps)

Use case C: 100,000 clients polling every 1 second: Network throughput is (871 x 100,000) = 87,100,000 bytes = 696,800,000 bits per second (665 Mbps)

而Websocket的Frame是 just two bytes of overhead instead of 871，僅僅用2個位元組就代替了輪詢的871位元組！

Use case A: 1,000 clients receive 1 message per second: Network throughput is (2 x 1,000) = 2,000 bytes = 16,000 bits per second (0.015 Mbps)

Use case B: 10,000 clients receive 1 message per second: Network throughput is (2 x 10,000) = 20,000 bytes = 160,000 bits per second (0.153 Mbps)

Use case C: 100,000 clients receive 1 message per second: Network throughput is (2 x 100,000) = 200,000 bytes = 1,600,000 bits per second (1.526 Mbps)

相同的每秒客戶端輪詢的次數，當次數高達10W/s的高頻率次數的時候，Polling輪詢需要消耗665Mbps，而Websocket僅僅只花費了1.526Mbps，將近435倍！！

三.談談WebSocket協議原理

Websocket是應用層第七層上的一個應用層協議，它必須依賴 HTTP 協議進行一次握手 ，握手成功後，資料就直接從 TCP 通道傳輸，與 HTTP 無關了。

Websocket的資料傳輸是frame形式傳輸的，比如會將一條訊息分為幾個frame，按照先後順序傳輸出去。這樣做會有幾個好處：

1 大資料的傳輸可以分片傳輸，不用考慮到資料大小導致的長度標誌位不足夠的情況。

2 和http的chunk一樣，可以邊生成資料邊傳遞訊息，即提高傳輸效率。

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
 +-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
 |F|R|R|R| opcode|M| Payload len |    Extended payload length    |
 |I|S|S|S|  (4)  |A|     (7)     |             (16/64)           |
 |N|V|V|V|       |S|             |   (if payload len==126/127)   |
 | |1|2|3|       |K|             |                               |
 +-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +
 |     Extended payload length continued, if payload len == 127  |
 + - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+
 |                               |Masking-key, if MASK set to 1  |
 +-------------------------------+-------------------------------+
 | Masking-key (continued)       |          Payload Data         |
 +-------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - +
 :                     Payload Data continued ...                :
 + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +
 |                     Payload Data continued ...                |
 +---------------------------------------------------------------+

四.WebSocket 和 Socket的區別與聯絡

首先，Socket 其實並不是一個協議。它工作在 OSI 模型會話層（第5層），是為了方便大家直接使用更底層協議（一般是 TCP 或 UDP ）而存在的一個抽象層。Socket是對TCP/IP協議的封裝，Socket本身並不是協議，而是一個呼叫介面(API)。

Socket通常也稱作”套接字”，用於描述IP地址和埠，是一個通訊鏈的控制程式碼。網路上的兩個程式通過一個雙向的通訊連線實現資料的交換，這個雙向鏈路的一端稱為一個Socket，一個Socket由一個IP地址和一個埠號唯一確定。應用程式通常通過”套接字”向網路發出請求或者應答網路請求。

Socket在通訊過程中，服務端監聽某個埠是否有連線請求，客戶端向服務端傳送連線請求，服務端收到連線請求向客戶端發出接收訊息，這樣一個連線就建立起來了。客戶端和服務端也都可以相互傳送訊息與對方進行通訊，直到雙方連線斷開。

所以基於WebSocket和基於Socket都可以開發出IM社交聊天類的app

五.iOS平臺有哪些WebSocket和Socket的開源框架

Socket開源框架有：CocoaAsyncSocket，socketio/socket.io-client-swift
WebSocket開源框架有:facebook/SocketRocket，tidwall/SwiftWebSocket

六.iOS平臺如何實現WebSocket協議

Talk is cheap。Show me the code ——Linus Torvalds

我們今天來看看facebook/SocketRocket的實現方法

首先這是SRWebSocket定義的一些成員變數

@property (nonatomic, weak) id <SRWebSocketDelegate> delegate;
/**
 A dispatch queue for scheduling the delegate calls. The queue doesn't need be a serial queue.

 If `nil` and `delegateOperationQueue` is `nil`, the socket uses main queue for performing all delegate method calls.
 */
@property (nonatomic, strong) dispatch_queue_t delegateDispatchQueue;
/**
 An operation queue for scheduling the delegate calls.

 If `nil` and `delegateOperationQueue` is `nil`, the socket uses main queue for performing all delegate method calls.
 */
@property (nonatomic, strong) NSOperationQueue *delegateOperationQueue;
@property (nonatomic, readonly) SRReadyState readyState;
@property (nonatomic, readonly, retain) NSURL *url;
@property (nonatomic, readonly) CFHTTPMessageRef receivedHTTPHeaders;
// Optional array of cookies (NSHTTPCookie objects) to apply to the connections
@property (nonatomic, copy) NSArray<NSHTTPCookie *> *requestCookies;

// This returns the negotiated protocol.
// It will be nil until after the handshake completes.
@property (nonatomic, readonly, copy) NSString *protocol;

下面這些是SRWebSocket的一些方法

// Protocols should be an array of strings that turn into Sec-WebSocket-Protocol.
- (instancetype)initWithURLRequest:(NSURLRequest *)request;
- (instancetype)initWithURLRequest:(NSURLRequest *)request protocols:(NSArray<NSString *> *)protocols;
- (instancetype)initWithURLRequest:(NSURLRequest *)request protocols:(NSArray<NSString *> *)protocols allowsUntrustedSSLCertificates:(BOOL)allowsUntrustedSSLCertificates;

// Some helper constructors.
- (instancetype)initWithURL:(NSURL *)url;
- (instancetype)initWithURL:(NSURL *)url protocols:(NSArray<NSString *> *)protocols;
- (instancetype)initWithURL:(NSURL *)url protocols:(NSArray<NSString *> *)protocols allowsUntrustedSSLCertificates:(BOOL)allowsUntrustedSSLCertificates;

// By default, it will schedule itself on +[NSRunLoop SR_networkRunLoop] using defaultModes.
- (void)scheduleInRunLoop:(NSRunLoop *)aRunLoop forMode:(NSString *)mode;
- (void)unscheduleFromRunLoop:(NSRunLoop *)aRunLoop forMode:(NSString *)mode;

// SRWebSockets are intended for one-time-use only.  Open should be called once and only once.
- (void)open;
- (void)close;
- (void)closeWithCode:(NSInteger)code reason:(NSString *)reason;

///--------------------------------------
#pragma mark Send
///--------------------------------------

//下面是4個傳送的方法
/**
 Send a UTF-8 string or binary data to the server.

 @param message UTF-8 String or Data to send.

 @deprecated Please use `sendString:` or `sendData` instead.
 */
- (void)send:(id)message __attribute__((deprecated("Please use `sendString:` or `sendData` instead.")));
- (void)sendString:(NSString *)string;
- (void)sendData:(NSData *)data;
- (void)sendPing:(NSData *)data;

@end

對應5種狀態的代理方法

///--------------------------------------
#pragma mark - SRWebSocketDelegate
///--------------------------------------
@protocol SRWebSocketDelegate <NSObject>

- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didReceiveMessage:(id)message;

@optional
- (void)webSocketDidOpen:(SRWebSocket *)webSocket;
- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didFailWithError:(NSError *)error;
- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didCloseWithCode:(NSInteger)code reason:(NSString *)reason wasClean:(BOOL)wasClean;
- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didReceivePong:(NSData *)pongPayload;

// Return YES to convert messages sent as Text to an NSString. Return NO to skip NSData -> NSString conversion for Text messages. Defaults to YES.
- (BOOL)webSocketShouldConvertTextFrameToString:(SRWebSocket *)webSocket;
@end

didReceiveMessage方法是必須實現的，用來接收訊息的。

下面4個did方法分別對應著Open，Fail，Close，ReceivePong不同狀態的代理方法

方法就上面這些了，我們實際來看看程式碼怎麼寫

先是初始化Websocket連線，注意此處ws://或者wss://連線有且最多隻能有一個，這個是Websocket協議規定的

self.ws = [[SRWebSocket alloc] initWithURLRequest:[NSURLRequest requestWithURL:[NSURL URLWithString:[NSString stringWithFormat:@"%@://%@:%zd/ws", serverProto, serverIP, serverPort]]]];
    self.ws.delegate = delegate;
    [self.ws open];

傳送訊息

 [self.ws send:message];

接收訊息以及其他3個代理方法

//這個就是接受訊息的代理方法了，這裡接受伺服器返回的資料，方法裡面就應該寫處理資料，儲存資料的方法了。
- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didReceiveMessage:(id)message
{
    NSDictionary *data = [NetworkUtils decodeData:message];
    if (!data)
        return;
}

//這裡是Websocket剛剛Open之後的代理方法。就想微信剛剛連線中，會顯示連線中，當連線上了，就不顯示連線中了，取消顯示連線的方法就應該寫在這裡面
- (void)webSocketDidOpen:(SRWebSocket *)webSocket
{
    // Open = silent ping
    [self.ws receivedPing];
}

//這是關閉Websocket的代理方法
- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didCloseWithCode:(NSInteger)code reason:(NSString *)reason wasClean:(BOOL)wasClean
{
    [self failedConnection:NSLS(Disconnected)];
}

//這裡是連線Websocket失敗的方法，這裡面一般都會寫重連的方法
- (void)webSocket:(SRWebSocket *)webSocket didFailWithError:(NSError *)error
{
    [self failedConnection:NSLS(Disconnected)];
}

最後

以上就是我想分享的一些關於Websocket的心得，文中如果有錯誤的地方，歡迎大家指點！一般沒有微信QQ那麼大使用者量的app，用Websocket應該都可以完成IM社交聊天的任務。當使用者達到億級別，應該還有很多需要優化，優化效能各種的吧。

最後，微信和QQ的實現方法也許並不是只用Websocket和Socket這麼簡單，也許是他們自己開發的一套能支援這麼大使用者，大資料的，各方面也都優化都最優的方法。如果有開發和微信和QQ的大神看到這篇文章，可以留言說說看你們用什麼方式實現的，也可以和我們一起分享，我們一起學習！我先謝謝大神們的指點了！