实时通信协议

本文旨在简要解释如何在Web上实现客户端/服务器和客户端/客户端之间的实时通信，以及它们的内部工作原理和最常见的用例。

TCP vs UDP

TCP和UDP都位于OSI模型的传输层，负责在网络上传输数据包。它们之间的主要区别在于，TCP在传输数据之前会打开一个专用连接，并确保所有数据包都到达目的地，而UDP则不会。这使得TCP连接速度较慢，但同时更可靠，因为它确保数据的到达，而UDP可能更快，但在传输过程中可能会丢失一些数据包。

这个概念在选择实时通信技术时需要牢记，因为它们可能使用TCP或UDP作为传输层协议，具有各自的优势和劣势。例如，如果您正在开发一个视频会议平台，用户更希望彼此之间的交互更快，而丢失一些数据包是可以接受的。

WebSockets

WebSocket是一种HTTP升级技术，它提供了基于TCP的持久全双工、双向连接。它被设计为客户端/服务器连接，允许它们随时相互发送数据。

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握手

为了建立WebSocket连接，客户端必须向服务器发送一个HTTP 握手 请求以切换协议：

GET /chat HTTP/1.1
Host: my-awesome.server.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: s3TTHMbDL1HtLzh1GKh12t==
Sec-WebSocket-Protocol: chat
Sec-WebSocket-Version: 13
Origin: http://my-awesome.server.com

如果满足要求，服务器将以HTTP Upgrade 101 Switching Protocols 响应来回应，如果不满足要求，则返回HTTP错误：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk=
Sec-WebSocket-Protocol: chat

请注意，客户端请求包含一个带有Base64编码的随机字节值的 Sec-WebSocket-Key，而服务器则回复一个带有请求密钥的哈希值的 Sec-WebSocket-Accept 头。这是为了防止缓存代理重新发送先前的WebSocket连接。

实现

一旦握手被接受，客户端已切换协议，客户端可以向服务器发送数据，服务器也可以向客户端发送数据。

在客户端中，使用浏览器的本机JavaScript引擎，由服务器发送的传入数据将由事件函数处理，一旦数据到达，这些事件函数将被触发。

在服务器端，在大多数情况下，这也是处理客户端发送的数据的方式，但也可以通过永不结束的循环来处理数据。

// HTTP握手
const socket = new WebSocket('ws://my-awesome.server.com');

socket.onopen = (event) => {
  // 连接建立时触发
  socket.send('客户端发送到服务器的数据');
});

socket.onmessage = (event) => {
  // 服务器发送数据时触发
  console.log(event.data);
});

socket.onclose = (event) => {
  // WebSocket连接关闭时触发
  console.log('连接关闭')
});

预期使用案例

当您需要低延迟的实时连接时，WebSocket是一种非常强大的协议，基于Web的游戏、聊天应用程序是可以使用此技术的很好的示例，因为在客户端之间进行通信非常简单：客户端A可以通过服务器向客户端B发送消息。

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广播可以通过记录每个连接的客户端轻松完成，假设我们需要更新游戏的排行榜，服务器可以将相同的消息发送给每个连接的客户端。

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SocketIO

SocketIO[1] 是一个事件驱动的JavaScript库，可在服务器和客户端中使用，以更高效地处理WebSocket。它包括自动重新连接和故障回退机制，如果握手失败，将提供长轮询连接作为实时连接。此外，它提供了命名空间和房间广播事件，您可以仅将消息发送到特定的通道。

WebRTC

WebRTC是一种基于UDP的技术，提供点对点通信。该协议的主要优点是它在对等方之间具有非常低的延迟。信息是从客户端传输到客户端，无需中央服务器，并且使用UDP协议作为传输层使连接速度非常快。它通常用于涉及实时媒体通信的应用程序，其中丢失一些数据包并不是大问题。

默认情况下，WebRTC提供端到端加密，使连接在通过互联网传输时保持安全。

信令

此过程用于对等方之间交换其连接。为了实现这一点，需要一个具有已连接对等方信息的服务器来建立此连接。

要实现这一点，一个对等方必须发送一个带有其会话描述协议（SDP）的提议，其中包括有关客户端的关键信息，例如要接收的内容（例如视频、音频、两者兼有）、浏览器支持的选项、编解码器等。您要连接的对等方将接收此提议请求并存储此会话描述，并创建一个答案。

当另一个对等方接收到响应时，它将存储到达的会话描述作为远程描述。在完成此操作后，两个对等方可以使用已建立的流相互连接。两个对等方将交换其ICE候选项，其中包含两者都需要通过互联网连接所需的信息（IP地址、端口等）。一旦完成，连接应该正常运行，对等方可以交换媒体。

STUN/TURN服务器

这个方案的主要困难在于连接在防火墙后工作，因此连接将被拒绝。为了克服这个问题，STUN服务器将帮助我们获取对等方的IP或对等方的IP。因此，在ICE候选项中，将设置STUN的IP和端口，以便对等方将与服务器通信，然后代理到客户端。

在大多数情况下，此配置将足够，但在某些情况下，对等方的安全性较高，STUN服务器将无法解开其他对等方的地址。这就是TURN服务器的出现，它是连接的对等方之间的中介对等方。对等方将媒体发送到此服务器，它将能够将其发送回其他对等方。

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应用

如上所述，此技术在尝试向一个或多个对等方传输媒体（如音频、视频或两者）时产生差异。这就是为什么应用程序如Google Meet、Discord、Twitch使用它作为其实时通信机制的原因，使连接在每个连接的对等方之间保持安全且快速。使用WebRTC进行广播非常容易实现，延迟非常低，而使用其他技术，如WebSockets，连接将存在较大的延迟问题，因为所有传输的媒体都会通过中央服务器发送，然后通过TCP将数据包发送回其他客户端，使过程更加安全但更慢。

文件共享是WebRTC的强项，应用程序如WebTorrent使用它在浏览器中传输点对点文件，使用BitTorrent协议。

尽管最初是为Web浏览器开发的，但使用此技术设计了许多非浏览器设备的应用程序，包括移动平台和物联网设备。

可扩展消息和出席协议（Jabber）

这是一种基于TCP的分散式协议，允许在网络上传输XML元素以实现近实时的消息和出席信息交换。

它基于客户端-服务器架构，其中一个客户端将其信息，如出席或消息，通过服务器发送给另一个客户端。如果接收方未连接到与发送方相同的服务器，则服务器将与其他XMPP服务器通信，直到找到客户端。这就是为什么这种架构是分散式的，不是每个客户端都连接到同一个中央服务器，客户端和服务器都是相互连接的。

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XML流从一个客户端发送到另一个客户端，使用JID（Jabber标识），每个客户端都有一个具有以下结构的唯一标识符：

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• 本地部分：与电子邮件中“@”之前的部分完全相同，通常在此处使用客户端的名称。
• 域部分：它是指连接此客户端的服务器。
• 资源部分：顾名思义，用于指定要用于将消息发送到服务器的资源。例如，同一服务器可以处理来自移动应用程序、Web、桌面应用程序等的消息。

XMPP Stanza

XMPP stanza是从客户端之间发送的XML元素，充当了从客户端之间发送的结构化信息的基本单位。有三种主要的stanza：

(1)消息：

• 客户端到客户端
• 发送并忘记
• 无需确认
• 对于不需要响应的任何内容（聊天、警报、日志记录等）都很有用。

Hey, how you doin'? pNltztLMBQhqakHwcFd

(2)信息查询：

• 一对一
• 确认
• 至少一次的可选交付

<iq id="30" type="result"
   from="user-two@server.org/mobile"
   to="user-one@server.org/desktop" />

(3)出席：

• 定向（一对一）或广播（一对多）
• 在网络上宣布实体的可用性

Studying away

轮询和长轮询

在创建这些协议和技术之前，开发人员创建了几种机制和策略，以实现类似实时通信的结果。在仍在使用的最著名的机制中，我想强调这两种：轮询：这种机制背后的想法是每隔x秒向服务器发送一个请求，以检查是否有新数据到达。

// 每一秒调用一次fetch以获取新消息
setInterval(1000, () => {
  fetch('http://my-awesome.server.com/new-messages')
    .then(response => response.json())
    .then(data => updateInterface(data));
})

长轮询：为了克服前述问题，客户端将发送请求以检查新数据。服务器将保持请求保持打开，直到新数据可用。一旦可用，服务器会响应并发送新信息。客户端收到新信息后，立即发送另一个请求，然后重复操作。

// 此函数将持续从服务器轮询数据
// 它可能等待响应1毫秒，也可能等待1小时
async function getNewData() {
  const data = await fetch('http://my-awesome.server.com/new-messages');
  updateInterface(data.json());
  getNewData();
}

getNewData();

这两种策略实现了与RTC协议非常相似的结果，但性能问题较大，可能会通过阻塞事件循环[2]来导致屏幕冻结。