Node和React中如何進行即時通訊？

教學推薦：node js教學、React教學、WebSocket教學

Web 為了支援客戶端和伺服器之間的全雙工（或雙向）通訊已經走過了很長的路。這是 WebSocket 協定的主要目的：透過單一 TCP 套接字連接在客戶端和伺服器之間提供持久的即時通訊。

WebSocket 協定只有兩個議程：1）開啟握手，2）幫助資料傳輸。一旦伺服器和客戶端握手成功，他們就可以隨意地以較少的開銷相互發送資料。

WebSocket 通訊使用WS（連接埠80）或WSS（連接埠443）協定在單一 TCP 套接字上進行。根據 Can I Use，撰寫本文時除了 Opera Mini 之外幾乎所有的瀏覽器支援 WebSockets 。

現況

從歷史上看，創建需要即時資料通訊（如遊戲或聊天應用程式）的 Web 應用程式需要濫用 HTTP 協定來建立雙向資料傳輸。儘管有許多種方法用於實現即時功能，但沒有一種方法與 WebSockets 一樣有效率。 HTTP 輪詢、HTTP流、Comet、SSE —— 它們都有自己的缺點。

HTTP 輪詢

解決問題的第一個嘗試是定期輪詢伺服器。 HTTP 長輪詢生命週期如下：

1. 客戶端發出請求並一直等待回應。
2. 伺服器會延遲回應，直到發生變更、更新或逾時。請求保持“掛起”，直到伺服器有東西返回客戶端。
3. 當伺服器端有一些變更或更新時，它會將回應傳送回客戶端。
4. 客戶端發送新的長輪詢請求以偵聽下一組變更。

長輪詢中存在著許多漏洞 —— 標頭開銷、延遲、逾時、快取等等。

HTTP 串流

這種機制減少了網路延遲的痛苦，因為初始請求無限期地保持開啟。即使在伺服器推送資料之後，請求也永遠不會終止。 HTTP 流中的前三步驟生命週期方法與 HTTP 輪詢是相同的。

但是，當回應傳送回客戶端時，請求永遠不會終止，伺服器保持連線開啟狀態，並在發生變更時發送新的更新。

伺服器傳送事件（SSE）

使用 SSE，伺服器將資料推送到客戶端。聊天或遊戲應用程式不能完全依賴 SSE。 SSE 的完美用例是類似 Facebook 的新聞 Feed：每當有新貼文發佈時，伺服器會將它們推送到時間軸。 SSE 透過傳統 HTTP 傳送，並且對開啟的連線數有限制。

這些方法不僅效率低下，維護它們的程式碼也使開發人員感到厭倦。

WebSocket

WebSockets 旨在取代現有的雙向通訊技術。當涉及全雙工即時通訊時，上述現有方法既不可靠也不高效。

WebSockets 類似於 SSE，但在將訊息從客戶端傳回伺服器方面也很優秀。由於資料是透過單一 TCP 套接字連接提供的，因此連線限制不再是問題。

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實戰教學

如同介紹中所提到的，WebSocket 協定只有兩個議程。讓我們看看 WebSockets 如何實現這些議程。為此我將分析一個 Node.js 伺服器並將其連接到使用 React.js 建置的客戶端。

議程1：WebSocket在伺服器和客戶端之間建立握手

在伺服器層級建立握手

我們可以用單一連接埠分別提供 HTTP 服務和 WebSocket 服務。下面的程式碼顯示了一個簡單的 HTTP 伺服器的建立過程。一旦創建，我們會將 WebSocket 伺服器綁定到 HTTP 連接埠：

const webSocketsServerPort = 8000;
const webSocketServer = require('websocket').server;
const http = require('http');
// Spinning the http server and the websocket server.
const server = http.createServer();
server.listen(webSocketsServerPort);
const wsServer = new webSocketServer({
  httpServer: server
});

建立 WebSocket 伺服器後，我們需要在接收來自客戶端的請求時接受握手。我將所有連線的客戶端作為物件保存在程式碼中，並在收請從瀏覽器發送的求時使用唯一的使用者ID。

// I'm maintaining all active connections in this object
const clients = {};

// This code generates unique userid for everyuser.
const getUniqueID = () => {
  const s4 = () => Math.floor((1 + Math.random()) * 0x10000).toString(16).substring(1);
  return s4() + s4() + '-' + s4();
};

wsServer.on('request', function(request) {
  var userID = getUniqueID();
  console.log((new Date()) + ' Recieved a new connection from origin ' + request.origin + '.');
  // You can rewrite this part of the code to accept only the requests from allowed origin
  const connection = request.accept(null, request.origin);
  clients[userID] = connection;
  console.log('connected: ' + userID + ' in ' + Object.getOwnPropertyNames(clients))
});

那麼，當接受連線時會發生什麼事？

在傳送常規 HTTP 請求以建立連線時，在請求頭中，用戶端會傳送 *Sec-WebSocket-Key*。伺服器對此值進行編碼和雜湊，並新增預先定義的 GUID。它回應了伺服器發送的握手中 *Sec-WebSocket-Accept*中產生的值。

一旦請求在伺服器中被接受（在必要驗證之後），就完成了握手，其狀態代碼為 101。如果在瀏覽器中看到除狀態碼 101 之外的任何內容，則表示 WebSocket 升級失敗，並且將遵循正常的 HTTP 語意。

*Sec-WebSocket-Accept* 头字段指示服务器是否愿意接受连接。此外如果响应缺少 *Upgrade* 头字段，或者 *Upgrade* 不等于 websocket，则表示 WebSocket 连接失败。

成功的服务器握手如下所示：

HTTP GET ws://127.0.0.1:8000/ 101 Switching Protocols
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: Nn/XHq0wK1oO5RTtriEWwR4F7Zw=
Upgrade: websocket

在客户端级别创建握手

在客户端，我使用与服务器中的相同 WebSocket 包来建立与服务器的连接（Web IDL 中的 WebSocket API 正在由W3C 进行标准化）。一旦服务器接受请求，我们将会在浏览器控制台上看到 WebSocket Client Connected。

这是创建与服务器的连接的初始脚手架：

import React, { Component } from 'react';
import { w3cwebsocket as W3CWebSocket } from "websocket";

const client = new W3CWebSocket('ws://127.0.0.1:8000');

class App extends Component {
  componentWillMount() {
    client.onopen = () => {
      console.log('WebSocket Client Connected');
    };
    client.onmessage = (message) => {
      console.log(message);
    };
  }
  
  render() {
    return (
      <div>
        Practical Intro To WebSockets.
      </div>
    );
  }
}

export default App;

客户端发送以下标头来建立握手：

HTTP GET ws://127.0.0.1:8000/ 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: vISxbQhM64Vzcr/CD7WHnw==
Origin: http://localhost:3000
Sec-WebSocket-Version: 13

现在客户端和服务器通过相互握手进行了连接，WebSocket 连接可以在接收消息时传输消息，从而实现 WebSocket 协议的第二个议程。

议程2：实时信息传输

我将编写一个基本的实时文档编辑器，用户可以将它们连接在一起并编辑文档。我跟踪了两个事件：

1. 用户活动：每次用户加入或离开时，我都会将消息广播给所有连接其他的客户端。
2. 内容更改：每次修改编辑器中的内容时，都会向所有连接的其他客户端广播。

该协议允许我们用二进制数据或 UTF-8 发送和接收消息（注意：传输和转换 UTF-8 的开销较小）。

只要我们对套接字事件onopen、onclose 和 onmessage有了充分的了解，理解和实现 WebSockets 就非常简单。客户端和服务器端的术语相同。

在客户端发送和接收消息

在客户端，当新用户加入或内容更改时，我们用 client.send 向服务器发消息，以将新信息提供给服务器。

/* When a user joins, I notify the
server that a new user has joined to edit the document. */
logInUser = () => {
  const username = this.username.value;
  if (username.trim()) {
    const data = {
      username
    };
    this.setState({
      ...data
    }, () => {
      client.send(JSON.stringify({
        ...data,
        type: "userevent"
      }));
    });
  }
}

/* When content changes, we send the
current content of the editor to the server. */
onEditorStateChange = (text) => {
 client.send(JSON.stringify({
   type: "contentchange",
   username: this.state.username,
   content: text
 }));
};

我们跟踪的事件是：用户加入和内容更改。

从服务器接收消息非常简单：

componentWillMount() {
  client.onopen = () => {
   console.log('WebSocket Client Connected');
  };
  client.onmessage = (message) => {
    const dataFromServer = JSON.parse(message.data);
    const stateToChange = {};
    if (dataFromServer.type === "userevent") {
      stateToChange.currentUsers = Object.values(dataFromServer.data.users);
    } else if (dataFromServer.type === "contentchange") {
      stateToChange.text = dataFromServer.data.editorContent || contentDefaultMessage;
    }
    stateToChange.userActivity = dataFromServer.data.userActivity;
    this.setState({
      ...stateToChange
    });
  };
}

在服务器端发送和侦听消息

在服务器中，我们只需捕获传入的消息并将其广播到连接到 WebSocket 的所有客户端。这是臭名昭着的 Socket.IO 和 WebSocket 之间的差异之一：当我们使用 WebSockets 时，我们需要手动将消息发送给所有客户端。  Socket.IO 是一个成熟的库，所以它自己来处理。

const sendMessage = (json) => {
  // We are sending the current data to all connected clients
  Object.keys(clients).map((client) => {
    clients[client].sendUTF(json);
  });
}

connection.on('message', function(message) {
    if (message.type === 'utf8') {
      const dataFromClient = JSON.parse(message.utf8Data);
      const json = { type: dataFromClient.type };
      if (dataFromClient.type === typesDef.USER_EVENT) {
        users[userID] = dataFromClient;
        userActivity.push(`${dataFromClient.username} joined to edit the document`);
        json.data = { users, userActivity };
      } else if (dataFromClient.type === typesDef.CONTENT_CHANGE) {
        editorContent = dataFromClient.content;
        json.data = { editorContent, userActivity };
      }
      sendMessage(JSON.stringify(json));
    }
  });

将消息广播到所有连接的客户端。

浏览器关闭后会发生什么？

在这种情况下，WebSocket调用 close 事件，它允许我们编写终止当前用户连接的逻辑。在我的代码中，当用户离开文档时，会向其余用户广播消息：

connection.on('close', function(connection) {
    console.log((new Date()) + " Peer " + userID + " disconnected.");
    const json = { type: typesDef.USER_EVENT };
    userActivity.push(`${users[userID].username} left the document`);
    json.data = { users, userActivity };
    delete clients[userID];
    delete users[userID];
    sendMessage(JSON.stringify(json));
  });

该应用程序的源代码位于GitHub上的 repo 中。

结论

WebSockets 是在应用中实现实时功能的最有趣和最方便的方法之一。它为我们提供了能够充分利用全双工通信的灵活性。我强烈建议在尝试使用 Socket.IO 和其他可用库之前先试试 WebSockets。

编码快乐！

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