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Comet:基于 HTTP 長連接的“服務器推”技術

時間:2015-02-09 23:47來源:電腦教程學習網 www.aedwey.tw 編輯:admin
很多應用譬如監控、即時通信、即時報價系統都需要將后臺發生的變化實時傳送到客戶端而無須客戶端不停地刷新、發送請求。本文首先介紹、比較了常用的“服務器推”方案,著重介紹了 Comet - 使用 HTTP 長連接、無須瀏覽器安裝插件的兩種“服務器推”方案:基于 AJAX 的長輪詢方式;基于 iframe 及 htmlfile 的流方式。最后分析了開發 Comet 應用需要注意的一些問題,以及如何借助開源的 Comet 框架-pushlet 構建自己的“服務器推”應用。

“服務器推”技術的應用

 

 

傳統模式的 Web 系統以客戶端發出請求、服務器端響應的方式工作。這種方式并不能滿足很多現實應用的需求,譬如:

  • 監控系統:后臺硬件熱插拔、LED、溫度、電壓發生變化;
  • 即時通信系統:其它用戶登錄、發送信息;
  • 即時報價系統:后臺數據庫內容發生變化;

這些應用都需要服務器能實時地將更新的信息傳送到客戶端,而無須客戶端發出請求。“服務器推”技術在現實應用中有一些解決方案,本文將這些解決方案分為兩類:一類需要在瀏覽器端安裝插件,基于套接口傳送信息,或是使用 RMI、CORBA 進行遠程調用;而另一類則無須瀏覽器安裝任何插件、基于 HTTP 長連接。

將“服務器推”應用在 Web 程序中,首先考慮的是如何在功能有限的瀏覽器端接收、處理信息:

  1. 客戶端如何接收、處理信息,是否需要使用套接口或是使用遠程調用。客戶端呈現給用戶的是 HTML 頁面還是 Java applet 或 Flash 窗口。如果使用套接口和遠程調用,怎么和 JavaScript 結合修改 HTML 的顯示。
  2. 客戶與服務器端通信的信息格式,采取怎樣的出錯處理機制。
  3. 客戶端是否需要支持不同類型的瀏覽器如 IE、Firefox,是否需要同時支持 Windows 和 Linux 平臺。


基于客戶端套接口的“服務器推”技術

Flash XMLSocket

如果 Web 應用的用戶接受應用只有在安裝了 Flash 播放器才能正常運行, 那么使用 Flash 的 XMLSocket 也是一個可行的方案。

這種方案實現的基礎是:

  1. Flash 提供了 XMLSocket 類。
  2. JavaScript 和 Flash 的緊密結合:在 JavaScript 可以直接調用 Flash 程序提供的接口。

具體實現方法:在 HTML 頁面中內嵌入一個使用了 XMLSocket 類的 Flash 程序。JavaScript 通過調用此 Flash 程序提供的套接口接口與服務器端的套接口進行通信。JavaScript 在收到服務器端以 XML 格式傳送的信息后可以很容易地控制 HTML 頁面的內容顯示。

關于如何去構建充當了 JavaScript 與 Flash XMLSocket 橋梁的 Flash 程序,以及如何在 JavaScript 里調用 Flash 提供的接口,我們可以參考 AFLAX(Asynchronous Flash and XML)項目提供的 Socket Demo 以及 SocketJS(請參見參考資源)。

Javascript 與 Flash 的緊密結合,極大增強了客戶端的處理能力。從 Flash 播放器 V7.0.19 開始,已經取消了 XMLSocket 的端口必須大于 1023 的限制。Linux 平臺也支持 Flash XMLSocket 方案。但此方案的缺點在于:

  1. 客戶端必須安裝 Flash 播放器;
  2. 因為 XMLSocket 沒有 HTTP 隧道功能,XMLSocket 類不能自動穿過防火墻;
  3. 因為是使用套接口,需要設置一個通信端口,防火墻、代理服務器也可能對非 HTTP 通道端口進行限制;

不過這種方案在一些網絡聊天室,網絡互動游戲中已得到廣泛使用。

Java Applet 套接口

在客戶端使用 Java Applet,通過 java.net.Socketjava.net.DatagramSocketjava.net.MulticastSocket 建立與服務器端的套接口連接,從而實現“服務器推”。

這種方案最大的不足在于 Java applet 在收到服務器端返回的信息后,無法通過 JavaScript 去更新 HTML 頁面的內容。


基于 HTTP 長連接的“服務器推”技術

Comet 簡介

瀏覽器作為 Web 應用的前臺,自身的處理功能比較有限。瀏覽器的發展需要客戶端升級軟件,同時由于客戶端瀏覽器軟件的多樣性,在某種意義上,也影響了瀏覽器新技術的推廣。在 Web 應用中,瀏覽器的主要工作是發送請求、解析服務器返回的信息以不同的風格顯示。AJAX 是瀏覽器技術發展的成果,通過在瀏覽器端發送異步請求,提高了單用戶操作的響應性。但 Web 本質上是一個多用戶的系統,對任何用戶來說,可以認為服務器是另外一個用戶。現有 AJAX 技術的發展并不能解決在一個多用戶的 Web 應用中,將更新的信息實時傳送給客戶端,從而用戶可能在“過時”的信息下進行操作。而 AJAX 的應用又使后臺數據更新更加頻繁成為可能。


圖 1. 傳統的 Web 應用模型與基于 AJAX 的模型之比較
圖 1. 傳統的 Web 應用模型與基于 AJAX 的模型之比較
 

“服務器推”是一種很早就存在的技術,以前在實現上主要是通過客戶端的套接口,或是服務器端的遠程調用。因為瀏覽器技術的發展比較緩慢,沒有為“服務器推”的實現提供很好的支持,在純瀏覽器的應用中很難有一個完善的方案去實現“服務器推”并用于商業程序。最近幾年,因為 AJAX 技術的普及,以及把 IFrame 嵌在“htmlfile“的 ActiveX 組件中可以解決 IE 的加載顯示問題,一些受歡迎的應用如 meebo,gmail+gtalk 在實現中使用了這些新技術;同時“服務器推”在現實應用中確實存在很多需求。因為這些原因,基于純瀏覽器的“服務器推”技術開始受到較多關注,Alex Russell(Dojo Toolkit 的項目 Lead)稱這種基于 HTTP 長連接、無須在瀏覽器端安裝插件的“服務器推”技術為“Comet”。目前已經出現了一些成熟的 Comet 應用以及各種開源框架;一些 Web 服務器如 Jetty 也在為支持大量并發的長連接進行了很多改進。關于 Comet 技術最新的發展狀況請參考關于 Comet 的 wiki。

下面將介紹兩種 Comet 應用的實現模型。

基于 AJAX 的長輪詢(long-polling)方式

圖 1 所示,AJAX 的出現使得 JavaScript 可以調用 XMLHttpRequest 對象發出 HTTP 請求,JavaScript 響應處理函數根據服務器返回的信息對 HTML 頁面的顯示進行更新。使用 AJAX 實現“服務器推”與傳統的 AJAX 應用不同之處在于:

  1. 服務器端會阻塞請求直到有數據傳遞或超時才返回。
  2. 客戶端 JavaScript 響應處理函數會在處理完服務器返回的信息后,再次發出請求,重新建立連接。
  3. 當客戶端處理接收的數據、重新建立連接時,服務器端可能有新的數據到達;這些信息會被服務器端保存直到客戶端重新建立連接,客戶端會一次把當前服務器端所有的信息取回。


圖 2. 基于長輪詢的服務器推模型
圖 2. 基于長輪詢的服務器推模型
 

一些應用及示例如 “Meebo”, “Pushlet Chat” 都采用了這種長輪詢的方式。相對于“輪詢”(poll),這種長輪詢方式也可以稱為“拉”(pull)。因為這種方案基于 AJAX,具有以下一些優點:請求異步發出;無須安裝插件;IE、Mozilla FireFox 都支持 AJAX。

在這種長輪詢方式下,客戶端是在 XMLHttpRequest 的 readystate 為 4(即數據傳輸結束)時調用回調函數,進行信息處理。當 readystate 為 4 時,數據傳輸結束,連接已經關閉。Mozilla Firefox 提供了對 Streaming AJAX 的支持, 即 readystate 為 3 時(數據仍在傳輸中),客戶端可以讀取數據,從而無須關閉連接,就能讀取處理服務器端返回的信息。IE 在 readystate 為 3 時,不能讀取服務器返回的數據,目前 IE 不支持基于 Streaming AJAX。

基于 Iframe 及 htmlfile 的流(streaming)方式

iframe 是很早就存在的一種 HTML 標記, 通過在 HTML 頁面里嵌入一個隱蔵幀,然后將這個隱蔵幀的 SRC 屬性設為對一個長連接的請求,服務器端就能源源不斷地往客戶端輸入數據。


圖 3. 基于流方式的服務器推模型
圖 3. 基于流方式的服務器推模型
 

上節提到的 AJAX 方案是在 JavaScript 里處理 XMLHttpRequest 從服務器取回的數據,然后 Javascript 可以很方便的去控制 HTML 頁面的顯示。同樣的思路用在 iframe 方案的客戶端,iframe 服務器端并不返回直接顯示在頁面的數據,而是返回對客戶端 Javascript 函數的調用,如“<script type="text/javascript">js_func(“data from server ”)</script>”。服務器端將返回的數據作為客戶端 JavaScript 函數的參數傳遞;客戶端瀏覽器的 Javascript 引擎在收到服務器返回的 JavaScript 調用時就會去執行代碼。

圖 3 可以看到,每次數據傳送不會關閉連接,連接只會在通信出現錯誤時,或是連接重建時關閉(一些防火墻常被設置為丟棄過長的連接, 服務器端可以設置一個超時時間, 超時后通知客戶端重新建立連接,并關閉原來的連接)。

使用 iframe 請求一個長連接有一個很明顯的不足之處:IE、Morzilla Firefox 下端的進度欄都會顯示加載沒有完成,而且 IE 上方的圖標會不停的轉動,表示加載正在進行。Google 的天才們使用一個稱為“htmlfile”的 ActiveX 解決了在 IE 中的加載顯示問題,并將這種方法用到了 gmail+gtalk 產品中。Alex Russell 在 “What else is burried down in the depth's of Google's amazing JavaScript?”文章中介紹了這種方法。Zeitoun 網站提供的 comet-iframe.tar.gz,封裝了一個基于 iframe 和 htmlfile 的 JavaScript comet 對象,支持 IE、Mozilla Firefox 瀏覽器,可以作為參考。(請參見參考資源

使用 Comet 模型開發自己的應用

上面介紹了兩種基于 HTTP 長連接的“服務器推”架構,更多描述了客戶端處理長連接的技術。對于一個實際的應用而言,系統的穩定性和性能是非常重要的。將 HTTP 長連接用于實際應用,很多細節需要考慮。

不要在同一客戶端同時使用超過兩個的 HTTP 長連接

我們使用 IE 下載文件時會有這樣的體驗,從同一個 Web 服務器下載文件,最多只能有兩個文件同時被下載。第三個文件的下載會被阻塞,直到前面下載的文件下載完畢。這是因為 HTTP 1.1 規范中規定,客戶端不應該與服務器端建立超過兩個的 HTTP 連接, 新的連接會被阻塞。而 IE 在實現中嚴格遵守了這種規定。

HTTP 1.1 對兩個長連接的限制,會對使用了長連接的 Web 應用帶來如下現象:在客戶端如果打開超過兩個的 IE 窗口去訪問同一個使用了長連接的 Web 服務器,第三個 IE 窗口的 HTTP 請求被前兩個窗口的長連接阻塞。

所以在開發長連接的應用時, 必須注意在使用了多個 frame 的頁面中,不要為每個 frame 的頁面都建立一個 HTTP 長連接,這樣會阻塞其它的 HTTP 請求,在設計上考慮讓多個 frame 的更新共用一個長連接。

服務器端的性能和可擴展性

一般 Web 服務器會為每個連接創建一個線程,如果在大型的商業應用中使用 Comet,服務器端需要維護大量并發的長連接。在這種應用背景下,服務器端需要考慮負載均衡和集群技術;或是在服務器端為長連接作一些改進。

應用和技術的發展總是帶來新的需求,從而推動新技術的發展。HTTP 1.1 與 1.0 規范有一個很大的不同:1.0 規范下服務器在處理完每個 Get/Post 請求后會關閉套接口連接; 而 1.1 規范下服務器會保持這個連接,在處理兩個請求的間隔時間里,這個連接處于空閑狀態。 Java 1.4 引入了支持異步 IO 的 java.nio 包。當連接處于空閑時,為這個連接分配的線程資源會返還到線程池,可以供新的連接使用;當原來處于空閑的連接的客戶發出新的請求,會從線程池里分配一個線程資源處理這個請求。 這種技術在連接處于空閑的機率較高、并發連接數目很多的場景下對于降低服務器的資源負載非常有效。

但是 AJAX 的應用使請求的出現變得頻繁,而 Comet 則會長時間占用一個連接,上述的服務器模型在新的應用背景下會變得非常低效,線程池里有限的線程數甚至可能會阻塞新的連接。Jetty 6 Web 服務器針對 AJAX、Comet 應用的特點進行了很多創新的改進,請參考文章“AJAX,Comet and Jetty”(請參見參考資源)。

控制信息與數據信息使用不同的 HTTP 連接

使用長連接時,存在一個很常見的場景:客戶端網頁需要關閉,而服務器端還處在讀取數據的堵塞狀態,客戶端需要及時通知服務器端關閉數據連接。服務器在收到關閉請求后首先要從讀取數據的阻塞狀態喚醒,然后釋放為這個客戶端分配的資源,再關閉連接。

所以在設計上,我們需要使客戶端的控制請求和數據請求使用不同的 HTTP 連接,才能使控制請求不會被阻塞。

在實現上,如果是基于 iframe 流方式的長連接,客戶端頁面需要使用兩個 iframe,一個是控制幀,用于往服務器端發送控制請求,控制請求能很快收到響應,不會被堵塞;一個是顯示幀,用于往服務器端發送長連接請求。如果是基于 AJAX 的長輪詢方式,客戶端可以異步地發出一個 XMLHttpRequest 請求,通知服務器端關閉數據連接。

在客戶和服務器之間保持“心跳”信息

在瀏覽器與服務器之間維持一個長連接會為通信帶來一些不確定性:因為數據傳輸是隨機的,客戶端不知道何時服務器才有數據傳送。服務器端需要確保當客戶端不再工作時,釋放為這個客戶端分配的資源,防止內存泄漏。因此需要一種機制使雙方知道大家都在正常運行。在實現上:

  1. 服務器端在阻塞讀時會設置一個時限,超時后阻塞讀調用會返回,同時發給客戶端沒有新數據到達的心跳信息。此時如果客戶端已經關閉,服務器往通道寫數據會出現異常,服務器端就會及時釋放為這個客戶端分配的資源。
  2. 如果客戶端使用的是基于 AJAX 的長輪詢方式;服務器端返回數據、關閉連接后,經過某個時限沒有收到客戶端的再次請求,會認為客戶端不能正常工作,會釋放為這個客戶端分配、維護的資源。
  3. 當服務器處理信息出現異常情況,需要發送錯誤信息通知客戶端,同時釋放資源、關閉連接。

Pushlet - 開源 Comet 框架

Pushlet 是一個開源的 Comet 框架,在設計上有很多值得借鑒的地方,對于開發輕量級的 Comet 應用很有參考價值。

觀察者模型

Pushlet 使用了觀察者模型:客戶端發送請求,訂閱感興趣的事件;服務器端為每個客戶端分配一個會話 ID 作為標記,事件源會把新產生的事件以多播的方式發送到訂閱者的事件隊列里。

客戶端 JavaScript 庫

pushlet 提供了基于 AJAX 的 JavaScript 庫文件用于實現長輪詢方式的“服務器推”;還提供了基于 iframe 的 JavaScript 庫文件用于實現流方式的“服務器推”。

JavaScript 庫做了很多封裝工作:

  1. 定義客戶端的通信狀態:STATE_ERRORSTATE_ABORTSTATE_NULLSTATE_READYSTATE_JOINEDSTATE_LISTENING
  2. 保存服務器分配的會話 ID,在建立連接之后的每次請求中會附上會話 ID 表明身份;
  3. 提供了 join()leave()subscribe()unsubsribe()listen() 等 API 供頁面調用;
  4. 提供了處理響應的 JavaScript 函數接口 onData()onEvent()

網頁可以很方便地使用這兩個 JavaScript 庫文件封裝的 API 與服務器進行通信。

客戶端與服務器端通信信息格式

pushlet 定義了一套客戶與服務器通信的信息格式,使用 XML 格式。定義了客戶端發送請求的類型:joinleavesubscribeunsubscribelistenrefresh;以及響應的事件類型:datajoin_acklisten_ackrefreshheartbeaterrorabortsubscribe_ackunsubscribe_ack

服務器端事件隊列管理

pushlet 在服務器端使用 Java Servlet 實現,其數據結構的設計框架仍可適用于 PHP、C 編寫的后臺客戶端。

Pushlet 支持客戶端自己選擇使用流、拉(長輪詢)、輪詢方式。服務器端根據客戶選擇的方式在讀取事件隊列(fetchEvents)時進行不同的處理。“輪詢”模式下fetchEvents() 會馬上返回。”流“和”拉“模式使用阻塞的方式讀事件,如果超時,會發給客戶端發送一個沒有新信息收到的“heartbeat“事件,如果是“拉”模式,會把“heartbeat”與“refresh”事件一起傳給客戶端,通知客戶端重新發出請求、建立連接。

客戶服務器之間的會話管理

服務端在客戶端發送 join 請求時,會為客戶端分配一個會話 ID, 并傳給客戶端,然后客戶端就通過此會話 ID 標明身份發出 subscribelisten 請求。服務器端會為每個會話維護一個訂閱的主題集合、事件隊列。

服務器端的事件源會把新產生的事件以多播的方式發送到每個會話(即訂閱者)的事件隊列里。

 

 

小結

本文介紹了如何在現有的技術基礎上選擇合適的方案開發一個“服務器推”的應用,最優的方案還是取決于應用需求的本身。相對于傳統的 Web 應用, 目前開發 Comet 應用還是具有一定的挑戰性。

“服務器推”存在廣泛的應用需求,為了使 Comet 模型適用于大規模的商業應用,以及方便用戶構建 Comet 應用,最近幾年,無論是服務器還是瀏覽器都出現了很多新技術,同時也出現了很多開源的 Comet 框架、協議。需求推動技術的發展,相信 Comet 的應用會變得和 AJAX 一樣普及。

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