浅谈PHP WebSocket

WebSocket是HTML5新增的协议,它的目的是在浏览器和服务器之间建立一个不受限的双向通信的通道,比如说,服务器可以在任意时刻发送消息给浏览器。

我们都知道,传统的HTTP协议不能做到WebSocket实现的功能。这是因为HTTP协议是一个请求-响应协议,请求必须先由浏览器发给服务器,服务器才能响应这个请求,再把数据发送给浏览器。换句话说,浏览器不主动请求,服务器是没法主动发数据给浏览器的。

这样一来,要在浏览器中搞一个实时聊天,在线炒股(不鼓励),或者在线多人游戏的话就没法实现了,只能借助Flash这些插件。

也有人说,HTTP协议其实也能实现啊,比如用轮询或者Comet。轮询是指浏览器通过JavaScript启动一个定时器,然后以固定的间隔给服务器发请求,询问服务器有没有新消息。这个机制的缺点一是实时性不够,二是频繁的请求会给服务器带来极大的压力。

Comet本质上也是轮询,但是在没有消息的情况下,服务器先拖一段时间,等到有消息了再回复。这个机制暂时地解决了实时性问题,但是它带来了新的问题:以多线程模式运行的服务器会让大部分线程大部分时间都处于挂起状态,极大地浪费服务器资源。另外,一个HTTP连接在长时间没有数据传输的情况下,链路上的任何一个网关都可能关闭这个连接,而网关是我们不可控的,这就要求Comet连接必须定期发一些ping数据表示连接“正常工作”。

以上两种机制都治标不治本,所以,HTML5推出了WebSocket标准,让浏览器和服务器之间可以建立无限制的全双工通信,任何一方都可以主动发消息给对方。

WebSocket协议

WebSocket并不是全新的协议,而是利用了HTTP协议来建立连接。我们来看看WebSocket连接是如何创建的。

首先,WebSocket连接必须由浏览器发起,因为请求协议是一个标准的HTTP请求,格式如下:

GET ws://localhost:3000/ws/chat HTTP/1.1Host: localhost
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Origin: http://localhost:3000Sec-WebSocket-Key: client-random-string
Sec-WebSocket-Version: 13

该请求和普通的HTTP请求有几点不同:

  1. GET请求的地址不是类似/path/,而是以ws://开头的地址;

  2. 请求头Upgrade: websocketConnection: Upgrade表示这个连接将要被转换为WebSocket连接;

  3. Sec-WebSocket-Key是用于标识这个连接,并非用于加密数据;

  4. Sec-WebSocket-Version指定了WebSocket的协议版本。

随后,服务器如果接受该请求,就会返回如下响应:

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: server-random-string

该响应代码101表示本次连接的HTTP协议即将被更改,更改后的协议就是Upgrade: websocket指定的WebSocket协议。

版本号和子协议规定了双方能理解的数据格式,以及是否支持压缩等等。如果仅使用WebSocket的API,就不需要关心这些。

现在,一个WebSocket连接就建立成功,浏览器和服务器就可以随时主动发送消息给对方,在成功之后,websocket 就使用自己的协议规定的方式进行通讯,跟 http 就没有关系了。消息有两种,一种是文本,一种是二进制数据。通常,我们可以发送JSON格式的文本,这样,在浏览器处理起来就十分容易。

为什么WebSocket连接可以实现全双工通信而HTTP连接不行呢?实际上HTTP协议是建立在TCP协议之上的,TCP协议本身就实现了全双工通信,但是HTTP协议的请求-应答机制限制了全双工通信。WebSocket连接建立以后,其实只是简单规定了一下:接下来,咱们通信就不使用HTTP协议了,直接互相发数据吧。

安全的WebSocket连接机制和HTTPS类似。首先,浏览器用wss://xxx创建WebSocket连接时,会先通过HTTPS创建安全的连接,然后,该HTTPS连接升级为WebSocket连接,底层通信走的仍然是安全的SSL/TLS协议。

浏览器

要支持WebSocket通信,浏览器得支持这个协议,这样才能发出ws://xxx的请求。目前,支持WebSocket的主流浏览器如下:

  • Chrome

  • Firefox

  • IE >= 10

  • Sarafi >= 6

  • Android >= 4.4

  • iOS >= 8

PHP实现WebSocket

文件描述符

忽然提及'文件描述符',大家可能会有些奇怪。

但作为服务器,是必须要对已经连接的 socket 进行存储和识别的。每一个 socket 代表一个用户,如何关联和查询用户信息与 socket 的对应就是一个问题了,这里便应用了关于文件描述符的一点小技巧。

我们知道 linux 是'万物皆文件'的,C 语言的 socket 的实现便是一个个的’文件描述符‘ ,这个文件描述符一般是打开文件的顺序递增的 int 数值,从 0 一直递增(当然系统是有限制的)。每一个 socket 都对应一个文件,读写 socket 都是操作对应的文件,所以也能像文件系统一样应用 read 和 write 函数。

tips: linux 中, 标准输入对应的是文件描述符 0;标准输出对应的文件描述符是 1; 标准错误对应的文件描述符是 2;所以我们可以使用 0 1 2对输入输出重定向。

那么类似于 C socket 的 PHP socket 自然也继承了这一点,它创建的 socket 也是类型于 int 值为 4 5 之类的资源类型。 我们可以使用 (int) 或 intval() 函数把 socket 转换为一个唯一的ID,从而可以实现用一个 ’类索引数组‘ 来存储 socket 资源和对应的用户信息;

结果类似:

$connected_sockets = array(
   (int)$socket => array(
       'resource' => $socket,
       'name' => $name,
       'ip' => $ip,
       'port' => $port,
       ...
   )
)

创建服务器socket

下面是一段创建服务器 socket 的代码:

// 创建一个 TCP socket, 此函数的可选值在官方文档中写得十分详细,这里不再提了
$this->master = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP);
// 设置IP和端口重用,在重启服务器后能重新使用此端口;
socket_set_option($this->master, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1);
// 将IP和端口绑定在服务器socket上;
socket_bind($this->master, $host, $port);
// listen函数使主动连接套接口变为被连接套接口,使得此 socket 能被其他 socket 访问,从而实现服务器功能。后面的参数则是自定义的待处理socket的最大数目,并发高的情况下,这个值可以设置大一点,虽然它也受系统环境的约束。
socket_listen($this->master, self::LISTEN_SOCKET_NUM);

这样,我们就得到一个服务器 socket,当有客户端连接到此 socket 上时,它将改变状态为可读,那就看接下来服务器的处理逻辑了。

服务器逻辑

这里着重讲一下 socket_select($read, $write, $except, $tv_sec [, $tv_usec]):

select 函数使用传统的 select 模型,可读、写、异常的 socket 会被分别放入 $socket, $write, $except 数组中,然后返回 状态改变的 socket 的数目,如果发生了错误,函数将会返回 false.

需要注意的是最后两个时间参数,它们只有单位不同,可以搭配使用,用来表示 socket_select 阻塞的时长,为0时此函数立即返回,可以用于轮询机制。 为 NULL 时,函数会一直阻塞下去, 这里我们置 $tv_sec 参数为null,让它一直阻塞,直到有可操作的 socket 返回。

下面是服务器的主要逻辑:

$write = $except = NULL;
$sockets = array_column($this->sockets, 'resource'); // 获取到全部的 socket 资源
$read_num = socket_select($sockets, $write, $except, NULL);

foreach ($sockets as $socket) {
       // 如果可读的是服务器 socket, 则处理连接逻辑;            
       if ($socket == $this->master) {
           socket_accept($this->master);
           // socket_accept() 接受 请求 “正在 listen 的 socket(像我们的服务器 socket )” 的连接, 并一个客户端 socket, 错误时返回 false;
            self::connect($client);
            continue;
           }
       // 如果可读的是其他已连接 socket ,则读取其数据,并处理应答逻辑
       } else {
           // 函数 socket_recv() 从 socket 中接受长度为 len 字节的数据,并保存在 $buffer 中。
           $bytes = @socket_recv($socket, $buffer, 2048, 0);

           if ($bytes < 9) {
               // 当客户端忽然中断时,服务器会接收到一个 8 字节长度的消息(由于其数据帧机制,8字节的消息我们认为它是客户端异常中断消息),服务器处理下线逻辑,并将其封装为消息广播出去
               $recv_msg = $this->disconnect($socket);
           } else {
               // 如果此客户端还未握手,执行握手逻辑
               if (!$this->sockets[(int)$socket]['handshake']) {
                   self::handShake($socket, $buffer);
                   continue;
               } else {
                   $recv_msg = self::parse($buffer);
               }
           }

           // 广播消息
           $this->broadcast($msg);
       }
   }
}

这里只是服务器处理消息的基础代码,日志记录和异常处理都略过了,而且还有些数据帧解析和封装的方法,各位也不一定看爱,有兴趣的可以去 github 上支持一下我的源码~~

此外,为了便于服务器与客户端的交互,我自己定义了 json 类型的消息格式,形似:

$msg = [
   'type' => $msg_type, // 有普通消息,上下线消息,服务器消息
   'from' => $msg_resource, // 消息来源
   'content' => $msg_content, // 消息内容
   'user_list' => $uname_list, // 便于同步当前在线人数与姓名
   ];


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