基于golang的websocket

项目中的消息通知用到了websocket，感觉比http长连接分块发送好用，特此记录一下。
WebSocket协议用ws表示。此外，还有wss协议，表示加密的WebSocket协议，对应HTTPs协议。
完成握手以后，WebSocket协议就在TCP协议之上，开始传送数据

websocket原理及运行机制

WebSocket是HTML5下一种新的协议。它实现了浏览器与服务器全双工通信，能更好的节省服务器资源和带宽并达到实时通讯的目的。它与HTTP一样通过已建立的TCP连接来传输数据，但是它和HTTP最大不同是：WebSocket是一种双向通信协议。在建立连接后，WebSocket服务器端和客户端都能主动向对方发送或接收数据，就像Socket一样；WebSocket需要像TCP一样，先建立连接，连接成功后才能相互通信。传统HTTP客户端与服务器请求响应模式如下图所示：

WebSocket模式客户端与服务器请求响应模式如下图：

上图对比可以看出，==相对于传统HTTP每次请求-应答都需要客户端与服务端建立连接的模式，WebSocket是类似Socket的TCP长连接通讯模式。一旦WebSocket连接建立后，后续数据都以帧序列的形式传输。在客户端断开WebSocket连接或Server端中断连接前，不需要客户端和服务端重新发起连接请求==。在海量并发及客户端与服务器交互负载流量大的情况下，极大的节省了网络带宽资源的消耗，有明显的性能优势，且客户端发送和接受消息是在同一个持久连接上发起，实时性优势明显。

相比HTTP长连接，WebSocket有以下特点：

  • 是真正的全双工方式，建立连接后客户端与服务器端是完全平等的，可以互相主动请求。而HTTP长连接基于HTTP，是传统的客户端对服务器发起请求的模式。HTTP长连接中，每次数据交换除了真正的数据部分外，服务器和客户端还要大量交换HTTP header，信息交换效率很低。

  • Websocket协议通过第一个request建立了TCP连接之后，之后交换的数据都不需要发送 HTTP header就能交换数据，这显然和原有的HTTP协议有区别所以它需要对服务器和客户端都进行升级才能实现（主流浏览器都已支持HTML5）。

  • 此外还有 multiplexing、不同的URL可以复用同一个WebSocket连接等功能。这些都是HTTP长连接不能做到的。

  • 连接建立后定期的心跳检测

在客户端，new WebSocket实例化一个新的WebSocket客户端对象，请求类似 ws://yourdomain:port/path 的服务端WebSocket URL，客户端WebSocket对象会自动解析并识别为WebSocket请求，并连接服务端端口，执行双方握手过程，客户端发送数据格式类似：

GET /webfin/websocket/ HTTP/1.1
Host: localhost
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: xqBt3ImNzJbYqRINxEFlkg==
Origin: http://localhost:8080
Sec-WebSocket-Version: 13

可以看到，客户端发起的WebSocket连接报文类似传统HTTP报文

  • Upgrade：websocket参数值表明这是WebSocket类型请求，

  • Sec-WebSocket-Key是WebSocket客户端发送的一个 base64编码的密文，要求服务端必须返回一个对应加密的Sec-WebSocket-Accept应答，否则客户端会抛出Error during WebSocket handshake错误，并关闭连接。

Upgrade: websocket
Connection: Upgrade

这个就是Websocket的核心了，告诉Apache、Nginx等服务器进行协议转换

Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13

首先，Sec-WebSocket-Key 是一个Base64 encode的值，这个是浏览器随机生成的，告诉服务器验证websocket协议。
然后，Sec_WebSocket-Protocol 是一个用户定义的字符串，用来区分同URL下，不同的服务所需要的协议。

服务端收到报文后返回的数据格式类似：

HTTP/1.1 101     Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: K7DJLdLooIwIG/MOpvWFB3y3FE8=
Sec-WebSocket-Accept

的值是服务端采用与客户端一致的密钥计算出来后返回客户端的

HTTP/1.1 101 Switching Protocols表示服务端接受WebSocket协议的客户端连接，经过这样的请求-响应处理后，两端的WebSocket连接握手成功, 后续就可以进行TCP通讯了。用户可以查阅WebSocket协议栈了解WebSocket客户端和服务端更详细的交互数据格式。

在开发方面，WebSocket API 也十分简单：只需要实例化 WebSocket，创建连接，然后服务端和客户端就可以相互发送和响应消息。在WebSocket 实现及案例分析部分可以看到详细的 WebSocket API 及代码实现。

golang中的websokect

github.com/gorilla/websocket

项目中主要使用 github.com/gorilla/websocket 这个包。

通过上面对websocket原理的描述可以知道，http到websocket有一个协议转换的过程，重点关注 Upgrade服务端协议转换函数。

// Upgrade upgrades the HTTP server connection to the WebSocket protocol.
//
// The responseHeader is included in the response to the client's upgrade
// request. Use the responseHeader to specify cookies (Set-Cookie) and the
// application negotiated subprotocol (Sec-Websocket-Protocol).
//
// If the upgrade fails, then Upgrade replies to the client with an HTTP error
// response.
func (u *Upgrader) Upgrade(w http.ResponseWriter, r *http.Request, responseHeader http.Header) (*Conn, error) {
    if r.Method != "GET" {
        return u.returnError(w, r, http.StatusMethodNotAllowed, "websocket: not a websocket handshake: request method is not GET")
    }
    
    if _, ok := responseHeader["Sec-Websocket-Extensions"]; ok {
        return u.returnError(w, r, http.StatusInternalServerError, "websocket: application specific 'Sec-Websocket-Extensions' headers are unsupported")
    }
    
    if !tokenListContainsValue(r.Header, "Connection", "upgrade") {
        return u.returnError(w, r, http.StatusBadRequest, "websocket: not a websocket handshake: 'upgrade' token not found in 'Connection' header")
    }
    
    if !tokenListContainsValue(r.Header, "Upgrade", "websocket") {
        return u.returnError(w, r, http.StatusBadRequest, "websocket: not a websocket handshake: 'websocket' token not found in 'Upgrade' header")
    }
    
    if !tokenListContainsValue(r.Header, "Sec-Websocket-Version", "13") {
        return u.returnError(w, r, http.StatusBadRequest, "websocket: unsupported version: 13 not found in 'Sec-Websocket-Version' header")
    }
    
    checkOrigin := u.CheckOrigin
    if checkOrigin == nil {
        checkOrigin = checkSameOrigin
    }
    if !checkOrigin(r) {
        return u.returnError(w, r, http.StatusForbidden, "websocket: 'Origin' header value not allowed")
    }
    
    challengeKey := r.Header.Get("Sec-Websocket-Key")
    if challengeKey == "" {
        return u.returnError(w, r, http.StatusBadRequest, "websocket: not a websocket handshake: `Sec-Websocket-Key' header is missing or blank")
    }
    
    subprotocol := u.selectSubprotocol(r, responseHeader)
    
    // Negotiate PMCE
    var compress bool
    if u.EnableCompression {
        for _, ext := range parseExtensions(r.Header) {
            if ext[""] != "permessage-deflate" {
                continue
            }
            compress = true
            break
        }
    }
    
    var (
        netConn net.Conn
        err     error
    )
    
    h, ok := w.(http.Hijacker)
    if !ok {
        return u.returnError(w, r, http.StatusInternalServerError, "websocket: response does not implement http.Hijacker")
    }
    var brw *bufio.ReadWriter
    netConn, brw, err = h.Hijack()
    if err != nil {
        return u.returnError(w, r, http.StatusInternalServerError, err.Error())
    }
    
    if brw.Reader.Buffered() > 0 {
        netConn.Close()
        return nil, errors.New("websocket: client sent data before handshake is complete")
    }
    
    c := newConnBRW(netConn, true, u.ReadBufferSize, u.WriteBufferSize, brw)
    c.subprotocol = subprotocol
    
    if compress {
        c.newCompressionWriter = compressNoContextTakeover
        c.newDecompressionReader = decompressNoContextTakeover
    }
    
    p := c.writeBuf[:0]
    p = append(p, "HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\nUpgrade: websocket\r\nConnection: Upgrade\r\nSec-WebSocket-Accept: "...)
    p = append(p, computeAcceptKey(challengeKey)...)
    p = append(p, "\r\n"...)
    if c.subprotocol != "" {
        p = append(p, "Sec-Websocket-Protocol: "...)
        p = append(p, c.subprotocol...)
        p = append(p, "\r\n"...)
    }
    if compress {
        p = append(p, "Sec-Websocket-Extensions: permessage-deflate; server_no_context_takeover; client_no_context_takeover\r\n"...)
    }
    for k, vs := range responseHeader {
        if k == "Sec-Websocket-Protocol" {
            continue
        }
        for _, v := range vs {
            p = append(p, k...)
            p = append(p, ": "...)
            for i := 0; i < len(v); i++ {
                b := v[i]
                if b <= 31 {
                    // prevent response splitting.
                    b = ' '
                }
                p = append(p, b)
            }
            p = append(p, "\r\n"...)
        }
    }
    p = append(p, "\r\n"...)
    
    // Clear deadlines set by HTTP server.
    netConn.SetDeadline(time.Time{})
    
    if u.HandshakeTimeout > 0 {
        netConn.SetWriteDeadline(time.Now().Add(u.HandshakeTimeout))
    }
    if _, err = netConn.Write(p); err != nil {
        netConn.Close()
        return nil, err
    }
    if u.HandshakeTimeout > 0 {
        netConn.SetWriteDeadline(time.Time{})
    }
    
    return c, nil
}

通过该函数可以看到大致流程：

  • 判断请求方法是否为GET，不是GET则为非法握手方法
  • 根据client的请求头信息，确认升级协议
  • 校验跨域
  • 填充响应头，响应返回客户端，链接建立

具体实现

Server端

主要采用Upgrade函数进行协议转换。指定了ReadBufferSize、WriteBufferSize、HandshakeTimeout参数，同时跨域叫为采用默认校验函数，自定义的校验函数总是返回true跳过了跨域校验

//controller
type MyWebSocketController struct {
    beego.Controller
}

var upgrader = websocket.Upgrader{
    ReadBufferSize:   1024,
    WriteBufferSize:  1024,
    HandshakeTimeout: 5 * time.Second,
    CheckOrigin: func(r *http.Request) bool {
        return true
    },
}

func (c *MyWebSocketController) Get() {

    ws, err := upgrader.Upgrade(c.Ctx.ResponseWriter, c.Ctx.Request, nil)
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    socket.Clients.Set(ws, true)

    _, body, _ := ws.ReadMessage()

    msg := socket.Message{Message: string(body)}
    socket.Broadcast <- msg

}

消息处理及转发

var (
    Clients   = make(map[*websocket.Conn]bool, 1024)
    Broadcast = make(chan Message, 1024)
)

type Message struct {
    Message string `json:"message"`
}

func init() {
    go handleMessages()
}

//广播发送至页面
func handleMessages() {
    for {
        msg := <-Broadcast

        for client := range Clients {
            err := client.WriteJSON(msg)
            if err != nil {
                client.Close()
                delete(Clients, client)
            }
        }
    }
}

路由注册（采用beego的注解式路由无法完成协议转换，具体原因还未找到）

beego.Router("/ws", &noticeMq.MyWebSocketController{})

go client

采用golang自带的golang.org/x/net/websocket包发送消息

package websocket

import (
    "net/url"

    "github.com/astaxie/beego"

    "golang.org/x/net/websocket"
)

type Client struct {
    Host string
    Path string
}

func NewWebsocketClient(host, path string) *Client {
    return &Client{
        Host: host,
        Path: path,
    }
}

func (this *Client) SendMessage(body []byte) error {
    u := url.URL{Scheme: "ws", Host: this.Host, Path: this.Path}

    ws, err := websocket.Dial(u.String(), "", "http://"+this.Host+"/")
    defer ws.Close() //关闭连接
    if err != nil {
        beego.Error(err)
        return err
    }

    _, err = ws.Write(body)
    if err != nil {
        beego.Error(err)
        return err
    }

    return nil
}

js client

目前主流浏览器都支持WebSocket协议（包括IE 10+）

<!DOCTYPE html>
<html>

<head>
    <meta charset="UTF-8" />
    <title>Sample of websocket with golang</title>
    <script src="http://apps.bdimg.com/libs/jquery/2.1.4/jquery.min.js"></script>

    <script>
        $(function() {
            var ws = new WebSocket('ws://api.mdevo.com/ws');

            ws.onopen = function(e) {
                $('<li>').text("connected").appendTo($ul);
            }

            ws.onmessage = function(e) {
                $('<li>').text(event.data).appendTo($ul);
            };
            var $ul = $('#msg-list');
        });
    </script>
</head>

<body>
    <ul id="msg-list"></ul>
</body>

</html>
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