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HTTP Comet消息推送学习总结

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理解 Comet

您可能已经听说过 Comet,因为它最近受到了一定的关注。Comet 有时也称反向 Ajax 或服务器端推技术(server-side
push)。其思想很简单:将数据直接从服务器推到浏览器,而不必等到浏览器请求数据。听起来简单,但是如果熟悉 Web 应用程序,尤其是 HTTP
协议,那么您就会知道,这绝不简单。实现 Comet 风格的 Web 应用程序,同时保证在浏览器和服务器上的可伸缩性,这只是在最近几年才成为可能。目前一些主流网站都有类似的原理,例如:webQQ、开心网、白社会等等,它们中消息动态都是采用类似的技术,也许具体实现方式不一样;

使用 Comet 的动机

HTTP 协议的成功毋庸置疑。它是 Internet
上大部分信息交换的基础。然而,它也有一些局限性。特别是,它是无状态、单向的协议。请求被发送到 Web 服务器,服务器处理请求并发回一个响应 —
仅此而已。请求必须由客户机发出,而服务器则只能在对请求的响应中发送数据。这至少会影响很多类型的 Web
应用程序的实用性。典型的例子就是聊天程序。另外还有一些例子,例如比赛的比分、股票行情或电子邮件程序。

HTTP
的这些局限性也是它取得一定成功的原因。请求/响应周期使它成为了经典的模型,即每个连接使用一个线程。只要能够快速为请求提供服务,这种方法就有巨大的
可伸缩性。每秒钟可以处理大量的请求,只需使用少量的服务器就可以处理很大数量的用户。对于很多经典的 Web
应用程序,例如内容管理系统、搜索应用程序和电子商务站点等等而言,这非常适合。在以上任何一种 Web
应用程序中,服务器提供用户请求的数据,然后关闭连接,并释放那个线程,使之可以为其他请求服务。如果提供初始数据之后仍可能存在交互,那么将连接保持为
打开状态,因此线程就不能释放出来,服务器也就不能为很多用户服务。

但是,如果想在对请求做出响应并发送初始数据之后,仍然保持与用户的交互呢?在 Web 早期,这一点常使用 meta
刷新实现。这将自动指示浏览器在指定秒数之后重新装载页面,从而支持简陋的轮询(polling)。这不仅是一种糟糕的用户体验,而且通常效率非常低下。
如果没有新的数据要显示在页面上呢?这时不得不重新呈现同样的页面。如果对页面的更改很少,并且页面的大部分没有变化呢?同样,不管是否有必要,都得重新
请求和获取页面上的一切内容。

Ajax 的发明和流行改变了上述状况。现在,服务器可以异步通信,因此不必重新请求整个页面。现在可以进行增量式的更新。只需使用
XMLHttpRequest 轮询服务器。这项技术通常被称作
Comet。这项技术存在一些变体,每种变体具有不同的性能和可伸缩性。我们来看看这些不同风格的 Comet。

Comet 风格

Ajax 的出现使 Comet 成为可能。HTTP 的单向性质可以有效地加以规避。实际上有一些不同的方法可以绕过这一点。您可能已经猜到,支持
Comet 的最容易的方式是轮询(poll)。使用 XMLHttpRequest 向服务器发出调用,返回后,等待一段固定的时间(通常使用
JavaScript 的 setTimeout 函数),然后再次调用。这是一项非常常见的技术。例如,大多数 webmail
应用程序就是通过这种技术在电子邮件到达时显示电子邮件的。

这项技术有优点也有缺点。在这种情况下,您期望快速返回响应,就像任何其他 Ajax
请求一样。在请求之间必须有一段暂停。否则,连续不断的请求会冲垮服务器,并且这种情况下显然不具有可伸缩性。这段暂停使应用程序产生一个延时。暂停的时
间越长,服务器上的新数据就需要越多的时间才能到达客户机。如果缩短暂停时间,又将重新面临冲垮服务器的风险。但是另一方面,这显然是最简单的实现
Comet 的方式。

现在应该指出,很多人认为轮询并不属于 Comet。相反,他们认为 Comet 是对轮询的局限性的一个解决方案。最常见的 “真正的” Comet
技术是轮询的一种变体,即长轮询(long
polling)。轮询与长轮询之间的主要区别在于服务器花多长的时间作出响应。长轮询通常将连接保持一段较长的时间 —
通常是数秒钟,但是也可能是一分钟甚至更长。当服务器上发生某个事件时,响应被发送并随即关闭,轮询立即重新开始。

长轮询相对于一般轮询的优点在于,数据一旦可用,便立即从服务器发送到客户机。请求可能等待较长的时间,期间没有任何数据返回,但是一旦有了新的数据,它
将立即被发送到客户机。因此没有延时。如果您使用过基于 Web 的聊天程序,或者声称 “实时” 的任何程序,那么它很可能就是使用了这种技术。

长轮询有一种变体,这是第三种风格的
Comet。这通常被称为流(streaming)。按照这种风格,服务器将数据推回客户机,但是不关闭连接。连接将一直保持开启,直到过期,并导致重新
发出请求。XMLHttpRequest 规范表明,可以检查 readyState 的值是否为 3 或 Receiving(而不是 4 或
Loaded),并获取正从服务器 “流出”
的数据。和长轮询一样,这种方式也没有延时。当服务器上的数据就绪时,该数据被发送到客户机。这种方式的另一个优点是可以大大减少发送到服务器的请求,从
而避免了与设置服务器连接相关的开销和延时。不幸的是,XMLHttpRequest 在不同的浏览器中有很多不同的实现。这项技术只能在较新版本的
Mozilla Firefox 中可靠地使用。对于 Internet Explorer 或 Safari,仍需使用长轮询。

至此,您可能会想,长轮询和流都有一个很大的问题。请求需要在服务器上存在一段较长的时间。这打破了每个请求使用
一个线程的模型,因为用于一个请求的线程一直没有被释放。更糟糕的是,除非要发回数据,否则该线程一直处于空闲状态。这显然不具有可伸缩性。幸运的是,现
代 Java Web
服务器有很多方式可以解决这个问题。搞JAVA开发的程序员,相对而言比较幸运,PHP目前还不是很多的;我今天花了一天的时间,找了各方面的资料,共享
一个国外的author写的demo附件;有兴趣的朋友可以研究一下,研究出更好的“服务器推”方案;

Comet:基于 HTTP 长连接的“服务器推”技术

很多应用譬如监控、即时通信、即时报价系统都需要将后台发生的变化实时传送到客户端而无须客户端不停地刷新、发送请求。本文首先介绍、比较了常
用的“服务器推”方案,着重介绍了 Comet - 使用 HTTP 长连接、无须浏览器安装插件的两种“服务器推”方案:基于 AJAX
的长轮询方式;基于 iframe 及 htmlfile 的流方式。最后分析了开发 Comet 应用需要注意的一些问题,以及如何借助开源的
Comet 框架-pushlet 构建自己的“服务器推”应用。

“服务器推”技术的应用

请访问 Ajax 技术资源中心,这是有关 Ajax 编程模型信息的一站式中心,包括很多文档、教程、论坛、blog、wiki 和新闻。任何 Ajax 的新信息都能在这里找到。

传统模式的 Web 系统以客户端发出请求、服务器端响应的方式工作。这种方式并不能满足很多现实应用的需求,譬如:

  • 监控系统:后台硬件热插拔、LED、温度、电压发生变化;

  • 即时通信系统:其它用户登录、发送信息;

  • 即时报价系统:后台数据库内容发生变化;


些应用都需要服务器能实时地将更新的信息传送到客户端,而无须客户端发出请求。“服务器推”技术在现实应用中有一些解决方案,本文将这些解决方案分为两
类:一类需要在浏览器端安装插件,基于套接口传送信息,或是使用 RMI、CORBA 进行远程调用;而另一类则无须浏览器安装任何插件、基于 HTTP
长连接。

将“服务器推”应用在 Web 程序中,首先考虑的是如何在功能有限的浏览器端接收、处理信息:

  1. 客户端如何接收、处理信息,是否需要使用套接口或是使用远程调用。客户端呈现给用户的是 HTML 页面还是 Java applet 或 Flash 窗口。如果使用套接口和远程调用,怎么和 JavaScript 结合修改 HTML 的显示。

  2. 客户与服务器端通信的信息格式,采取怎样的出错处理机制。

  3. 客户端是否需要支持不同类型的浏览器如 IE、Firefox,是否需要同时支持 Windows 和 Linux 平台。

基于客户端套接口的“服务器推”技术

Flash XMLSocket

如果 Web 应用的用户接受应用只有在安装了 Flash 播放器才能正常运行, 那么使用 Flash 的 XMLSocket 也是一个可行的方案。

这种方案实现的基础是:

  1. Flash 提供了 XMLSocket 类。

  2. JavaScript 和 Flash 的紧密结合:在 JavaScript 可以直接调用 Flash 程序提供的接口。


体实现方法:在 HTML 页面中内嵌入一个使用了 XMLSocket 类的 Flash 程序。JavaScript 通过调用此 Flash
程序提供的套接口接口与服务器端的套接口进行通信。JavaScript 在收到服务器端以 XML 格式传送的信息后可以很容易地控制 HTML
页面的内容显示。

关于如何去构建充当了 JavaScript 与 Flash XMLSocket 桥梁的 Flash
程序,以及如何在 JavaScript 里调用 Flash 提供的接口,我们可以参考 AFLAX(Asynchronous Flash and
XML)项目提供的 Socket Demo 以及 SocketJS(请参见 参考资源)。

Javascript
与 Flash 的紧密结合,极大增强了客户端的处理能力。从 Flash 播放器 V7.0.19 开始,已经取消了 XMLSocket
的端口必须大于 1023 的限制。Linux 平台也支持 Flash XMLSocket 方案。但此方案的缺点在于:

  1. 客户端必须安装 Flash 播放器;

  2. 因为 XMLSocket 没有 HTTP 隧道功能,XMLSocket 类不能自动穿过防火墙;

  3. 因为是使用套接口,需要设置一个通信端口,防火墙、代理服务器也可能对非 HTTP 通道端口进行限制;

不过这种方案在一些网络聊天室,网络互动游戏中已得到广泛使用。

Java Applet 套接口

在客户端使用 Java Applet,通过 java.net.Socketjava.net.DatagramSocketjava.net.MulticastSocket 建立与服务器端的套接口连接,从而实现“服务器推”。

这种方案最大的不足在于 Java applet 在收到服务器端返回的信息后,无法通过 JavaScript 去更新 HTML 页面的内容。

基于 HTTP 长连接的“服务器推”技术

Comet 简介


览器作为 Web
应用的前台,自身的处理功能比较有限。浏览器的发展需要客户端升级软件,同时由于客户端浏览器软件的多样性,在某种意义上,也影响了浏览器新技术的推广。
在 Web 应用中,浏览器的主要工作是发送请求、解析服务器返回的信息以不同的风格显示。AJAX
是浏览器技术发展的成果,通过在浏览器端发送异步请求,提高了单用户操作的响应性。但 Web
本质上是一个多用户的系统,对任何用户来说,可以认为服务器是另外一个用户。现有 AJAX 技术的发展并不能解决在一个多用户的 Web
应用中,将更新的信息实时传送给客户端,从而用户可能在“过时”的信息下进行操作。而 AJAX 的应用又使后台数据更新更加频繁成为可能。

图 1. 传统的 Web 应用模型与基于 AJAX 的模型之比较

图 1. 传统的 Web 应用模型与基于 AJAX 的模型之比较

“服
务器推”是一种很早就存在的技术,以前在实现上主要是通过客户端的套接口,或是服务器端的远程调用。因为浏览器技术的发展比较缓慢,没有为“服务器推”的
实现提供很好的支持,在纯浏览器的应用中很难有一个完善的方案去实现“服务器推”并用于商业程序。最近几年,因为 AJAX 技术的普及,以及把
IFrame 嵌在“htmlfile“的 ActiveX 组件中可以解决 IE 的加载显示问题,一些受欢迎的应用如
meebo,gmail+gtalk
在实现中使用了这些新技术;同时“服务器推”在现实应用中确实存在很多需求。因为这些原因,基于纯浏览器的“服务器推”技术开始受到较多关注,Alex
Russell(Dojo Toolkit 的项目 Lead)称这种基于 HTTP
长连接、无须在浏览器端安装插件的“服务器推”技术为“Comet”。目前已经出现了一些成熟的 Comet 应用以及各种开源框架;一些 Web
服务器如 Jetty 也在为支持大量并发的长连接进行了很多改进。关于 Comet 技术最新的发展状况请参考关于 Comet 的 wiki。

下面将介绍两种 Comet 应用的实现模型。

基于 AJAX 的长轮询(long-polling)方式

图 1
所示,AJAX 的出现使得 JavaScript 可以调用 XMLHttpRequest 对象发出 HTTP 请求,JavaScript
响应处理函数根据服务器返回的信息对 HTML 页面的显示进行更新。使用 AJAX 实现“服务器推”与传统的 AJAX 应用不同之处在于:

  1. 服务器端会阻塞请求直到有数据传递或超时才返回。

  2. 客户端 JavaScript 响应处理函数会在处理完服务器返回的信息后,再次发出请求,重新建立连接。

  3. 当客户端处理接收的数据、重新建立连接时,服务器端可能有新的数据到达;这些信息会被服务器端保存直到客户端重新建立连接,客户端会一次把当前服务器端所有的信息取回。

图 2. 基于长轮询的服务器推模型

图 2. 基于长轮询的服务器推模型


些应用及示例如 “Meebo”, “Pushlet Chat”
都采用了这种长轮询的方式。相对于“轮询”(poll),这种长轮询方式也可以称为“拉”(pull)。因为这种方案基于
AJAX,具有以下一些优点:请求异步发出;无须安装插件;IE、Mozilla FireFox 都支持 AJAX。

在这种长轮询方式
下,客户端是在 XMLHttpRequest 的 readystate 为 4(即数据传输结束)时调用回调函数,进行信息处理。当
readystate 为 4 时,数据传输结束,连接已经关闭。Mozilla Firefox 提供了对 Streaming AJAX 的支持, 即
readystate 为 3 时(数据仍在传输中),客户端可以读取数据,从而无须关闭连接,就能读取处理服务器端返回的信息。IE 在
readystate 为 3 时,不能读取服务器返回的数据,目前 IE 不支持基于 Streaming  AJAX。

基于 Iframe 及 htmlfile 的流(streaming)方式

iframe 是很早就存在的一种 HTML 标记, 通过在 HTML 页面里嵌入一个隐蔵帧,然后将这个隐蔵帧的 SRC 属性设为对一个长连接的请求,服务器端就能源源不断地往客户端输入数据。

图 3. 基于流方式的服务器推模型

图 3. 基于流方式的服务器推模型


节提到的 AJAX 方案是在 JavaScript 里处理 XMLHttpRequest 从服务器取回的数据,然后 Javascript
可以很方便的去控制 HTML 页面的显示。同样的思路用在 iframe 方案的客户端,iframe
服务器端并不返回直接显示在页面的数据,而是返回对客户端 Javascript 函数的调用,如“<script type="text/javascript">js_func(“data from server ”)</script>”。服务器端将返回的数据作为客户端 JavaScript 函数的参数传递;客户端浏览器的 Javascript 引擎在收到服务器返回的 JavaScript 调用时就会去执行代码。

图 3 可以看到,每次数据传送不会关闭连接,连接只会在通信出现错误时,或是连接重建时关闭(一些防火墙常被设置为丢弃过长的连接, 服务器端可以设置一个超时时间, 超时后通知客户端重新建立连接,并关闭原来的连接)。

使
用 iframe 请求一个长连接有一个很明显的不足之处:IE、Morzilla Firefox 下端的进度栏都会显示加载没有完成,而且 IE
上方的图标会不停的转动,表示加载正在进行。Google 的天才们使用一个称为“htmlfile”的 ActiveX 解决了在 IE
中的加载显示问题,并将这种方法用到了 gmail+gtalk 产品中。Alex Russell 在 “What else is burried
down in the depth's of Google's amazing JavaScript?”文章中介绍了这种方法。Zeitoun
网站提供的 comet-iframe.tar.gz,封装了一个基于 iframe 和 htmlfile 的 JavaScript comet
对象,支持 IE、Mozilla Firefox 浏览器,可以作为参考。

使用 Comet 模型开发自己的应用

上面介绍了两种基于 HTTP 长连接的“服务器推”架构,更多描述了客户端处理长连接的技术。对于一个实际的应用而言,系统的稳定性和性能是非常重要的。将 HTTP 长连接用于实际应用,很多细节需要考虑。

不要在同一客户端同时使用超过两个的 HTTP 长连接


们使用 IE 下载文件时会有这样的体验,从同一个 Web
服务器下载文件,最多只能有两个文件同时被下载。第三个文件的下载会被阻塞,直到前面下载的文件下载完毕。这是因为 HTTP 1.1
规范中规定,客户端不应该与服务器端建立超过两个的 HTTP 连接, 新的连接会被阻塞。而 IE 在实现中严格遵守了这种规定。

HTTP 1.1 对两个长连接的限制,会对使用了长连接的 Web 应用带来如下现象:在客户端如果打开超过两个的 IE 窗口去访问同一个使用了长连接的 Web 服务器,第三个 IE 窗口的 HTTP 请求被前两个窗口的长连接阻塞。

所以在开发长连接的应用时, 必须注意在使用了多个 frame 的页面中,不要为每个 frame 的页面都建立一个 HTTP 长连接,这样会阻塞其它的 HTTP 请求,在设计上考虑让多个 frame 的更新共用一个长连接。

服务器端的性能和可扩展性

一般 Web 服务器会为每个连接创建一个线程,如果在大型的商业应用中使用 Comet,服务器端需要维护大量并发的长连接。在这种应用背景下,服务器端需要考虑负载均衡和集群技术;或是在服务器端为长连接作一些改进。


用和技术的发展总是带来新的需求,从而推动新技术的发展。HTTP 1.1 与 1.0 规范有一个很大的不同:1.0 规范下服务器在处理完每个
Get/Post 请求后会关闭套接口连接; 而 1.1 规范下服务器会保持这个连接,在处理两个请求的间隔时间里,这个连接处于空闲状态。 Java
1.4 引入了支持异步 IO 的 java.nio
包。当连接处于空闲时,为这个连接分配的线程资源会返还到线程池,可以供新的连接使用;当原来处于空闲的连接的客户发出新的请求,会从线程池里分配一个线
程资源处理这个请求。 这种技术在连接处于空闲的机率较高、并发连接数目很多的场景下对于降低服务器的资源负载非常有效。

但是 AJAX
的应用使请求的出现变得频繁,而 Comet
则会长时间占用一个连接,上述的服务器模型在新的应用背景下会变得非常低效,线程池里有限的线程数甚至可能会阻塞新的连接。Jetty 6 Web
服务器针对 AJAX、Comet 应用的特点进行了很多创新的改进,请参考文章“AJAX,Comet and Jetty”。

控制信息与数据信息使用不同的 HTTP 连接

使用长连接时,存在一个很常见的场景:客户端网页需要关闭,而服务器端还处在读取数据的堵塞状态,客户端需要及时通知服务器端关闭数据连接。服务器在收到关闭请求后首先要从读取数据的阻塞状态唤醒,然后释放为这个客户端分配的资源,再关闭连接。

所以在设计上,我们需要使客户端的控制请求和数据请求使用不同的 HTTP 连接,才能使控制请求不会被阻塞。


实现上,如果是基于 iframe 流方式的长连接,客户端页面需要使用两个
iframe,一个是控制帧,用于往服务器端发送控制请求,控制请求能很快收到响应,不会被堵塞;一个是显示帧,用于往服务器端发送长连接请求。如果是基
于 AJAX 的长轮询方式,客户端可以异步地发出一个 XMLHttpRequest 请求,通知服务器端关闭数据连接。

在客户和服务器之间保持“心跳”信息

在浏览器与服务器之间维持一个长连接会为通信带来一些不确定性:因为数据传输是随机的,客户端不知道何时服务器才有数据传送。服务器端需要确保当客户端不再工作时,释放为这个客户端分配的资源,防止内存泄漏。因此需要一种机制使双方知道大家都在正常运行。在实现上:

  1. 服务器端在阻塞读时会设置一个时限,超时后阻塞读调用会返回,同时发给客户端没有新数据到达的心跳信息。此时如果客户端已经关闭,服务器往通道写数据会出现异常,服务器端就会及时释放为这个客户端分配的资源。

  2. 如果客户端使用的是基于 AJAX 的长轮询方式;服务器端返回数据、关闭连接后,经过某个时限没有收到客户端的再次请求,会认为客户端不能正常工作,会释放为这个客户端分配、维护的资源。

  3. 当服务器处理信息出现异常情况,需要发送错误信息通知客户端,同时释放资源、关闭连接。

Pushlet – 开源 Comet 框架

Pushlet 是一个开源的 Comet 框架,在设计上有很多值得借鉴的地方,对于开发轻量级的 Comet 应用很有参考价值。

观察者模型

Pushlet 使用了观察者模型:客户端发送请求,订阅感兴趣的事件;服务器端为每个客户端分配一个会话 ID 作为标记,事件源会把新产生的事件以多播的方式发送到订阅者的事件队列里。

客户端 JavaScript 库

pushlet 提供了基于 AJAX 的 JavaScript 库文件用于实现长轮询方式的“服务器推”;还提供了基于 iframe 的 JavaScript 库文件用于实现流方式的“服务器推”。

JavaScript 库做了很多封装工作:

  1. 定义客户端的通信状态:STATE_ERRORSTATE_ABORTSTATE_NULLSTATE_READYSTATE_JOINEDSTATE_LISTENING

  2. 保存服务器分配的会话 ID,在建立连接之后的每次请求中会附上会话 ID 表明身份;

  3. 提供了 join()leave()subscribe()unsubsribe()listen() 等 API 供页面调用;

  4. 提供了处理响应的 JavaScript 函数接口 onData()onEvent()

网页可以很方便地使用这两个 JavaScript 库文件封装的 API 与服务器进行通信。

客户端与服务器端通信信息格式

pushlet 定义了一套客户与服务器通信的信息格式,使用 XML 格式。定义了客户端发送请求的类型:joinleavesubscribeunsubscribelistenrefresh;以及响应的事件类型:datajoin_acklisten_ackrefreshheartbeaterrorabortsubscribe_ackunsubscribe_ack

服务器端事件队列管理

pushlet 在服务器端使用 Java Servlet 实现,其数据结构的设计框架仍可适用于 PHP、C 编写的后台客户端。

Pushlet 支持客户端自己选择使用流、拉(长轮询)、轮询方式。服务器端根据客户选择的方式在读取事件队列(fetchEvents)时进行不同的处理。“轮询”模式下 fetchEvents() 会马上返回。”流“和”拉“模式使用阻塞的方式读事件,如果超时,会发给客户端发送一个没有新信息收到的“heartbeat“事件,如果是“拉”模式,会把“heartbeat”与“refresh”事件一起传给客户端,通知客户端重新发出请求、建立连接。

客户服务器之间的会话管理

服务端在客户端发送 join 请求时,会为客户端分配一个会话 ID, 并传给客户端,然后客户端就通过此会话 ID 标明身份发出 subscribelisten 请求。服务器端会为每个会话维护一个订阅的主题集合、事件队列。

服务器端的事件源会把新产生的事件以多播的方式发送到每个会话(即订阅者)的事件队列里。

小结

本文介绍了如何在现有的技术基础上选择合适的方案开发一个“服务器推”的应用,最优的方案还是取决于应用需求的本身。相对于传统的 Web 应用, 目前开发 Comet 应用还是具有一定的挑战性。

“服
务器推”存在广泛的应用需求,为了使 Comet 模型适用于大规模的商业应用,以及方便用户构建 Comet
应用,最近几年,无论是服务器还是浏览器都出现了很多新技术,同时也出现了很多开源的 Comet 框架、协议。需求推动技术的发展,相信 Comet
的应用会变得和 AJAX 一样普及。


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