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- 什么是WebSocket

        WebSocket是HTML5开始提供的一种新协议,用于浏览器和服务器之间实现全双工通讯的技术。本质上是基于TCP协议,先通过HTTP/HTTPS协议发起一条特殊的HTTP请求进行握手后,创建一个用于双向数据交换的TCP连接,此后服务端与客户端通过此连接进行实时通信。在WebSocket之前实现全双工通讯一般使用轮训、SSE(Server-Sent Event,服务端推送事件)、Comet技术。

- HTTP与WebSocket的区别

  • 由上面的示意图可知,在传统的http1.0,request和response是一对一的,每次都要发送header信息;

  • http1.1 默认开启了keeplive也只是复用同一个tcp连接,但是服务器和客户端还要大量交换HTTP header,信息交换效率很低;

  • 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。从而更好的节省服务器资源和带宽并达到实时通讯的目的;

  • WebSocket需要像TCP一样,先建立连接,连接成功后才能相互通信。

- 客户端通过WebSocket与服务端建立通信过程

  1. 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:

2. 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。服务端收到报文后返回的数据格式类似:

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

WebSocket标识符是ws(如果加密,则是wss),如上图所示


- WebSocket服务

Node(按热度排序):

Socket.IO

uWebSockets

WebSocket-Node

Go

websocketd

websocket

Django

Channel

- Django Channel

WSGI/ASGI

WSGI

        大家都知道WSGI,即Web Server Gateway Interface,是服务器和客户端交互的接口规范,符合这种借口的application可以在所有符合该接口的server上运行,解耦了server和application;web组件被分成三类:client、server、middleware

如上图所示:

  • Server/Gateway:处理HTTP协议,接受用户HTTP请求,调用application处理逻辑,将response返回给client;比如Apache、Nginx

  • Application:专注业务逻辑的python 应用或者框架,如Django;根据WSGI协议规范,Applicaiton需要定义(http://wsgi.tutorial.codepoint.net/application-interface

  • Middleware:位于Server/Gateway 和 Application/Framework 之间,对 Server/Gateway 来说,它相当于 Application/Framework ;对 Application/Framework 来说,它相当于 Server/Gateway。每个 middleware 实现不同的功能,我们通常根据需求选择相应的 middleware 并组合起来,实现所需的功能。比如,可在 middleware 中实现以下功能:

- 根据URL把用户请求调度到不同的 Application 中

- 负载均衡,转发用户请求

- 限制请求速率,设置白名单

WSGI的middleware体现 unix 的哲学之一:do one thing and do it well

ASGI

       由于WSGI协议支持HTTP,ASGI(Asynchronous Server Gateway Interface)在此基础上应运而生,对WSGI协议进行兼容和扩展,能够处理多种通用协议如HTTP、HTTP2、WebSocket,允许这些协议能通过网络或本地socket进行传输,以及让不同的协议被分配到不同的进程中。

ASGI由三个不同的组件组成:协议服务、频道层(Channnel Layer)、应用层;其中Channel Layer是最重要的部分,同时对协议服务和应用提供接口:

  • 频道和消息: ASGI规定所有通信都要通过在频道里发送消息进行,消息是一个dict,为了保证可序列化,只允许以下类型数据
    string/ Unicode/int(非long)/list/dict(Key 是Unicode)/ boolean/ None
    频道是一个先进先出队列,队列中的消息最多发送给一个消费者;频道中的消息超过设定时间会被清理,消息大小最大限定为1MB,超过需要分块

  • 群组: 频道中消息只能被传送一次,不能广播;如果向任一组用户发送消息,就要用到群组

- Channels

        大概了解ASGI规范之后,看下django基于ASGI协议实现HTTP/HTTP2/WebSocket的模块Channels,安装好channels后,django将有原来的request-response模式,转换成worker工作模式;并没有运行单独的wsgi进程,而是分成了三层:

  • Interface Server: 负责Django和Client通信,同时适配WSGI和WebSocket Server;

  • Channel Layer: 可插拔的Python代码和数据存储,如Redis、或者内存,用于消息的传输;

  • Workers: 监听频道,消息抵达时运行消费者代码。

下面用例子来看下如何使用Channels: 实现Zabbix报警实时传送到客户端
描述:

  1. rigger触发时,根据Action设置通过脚本报警,并将报警信息发布到Redis的ALARM频道;

  2. Django Commands alert 订阅Redis的ALARM频道;

  3. 调用channels的send方法,通过websocket实时推送到Client。

目录结构:

- 安装配置Channel

pip install channels asgi_redis
settings.py添加app和设置CHANNEL_LAYERS

#commands是后面定义Django命令的app
INSTALLED_APPS = [
'django.contrib.admin',
'django.contrib.auth',
'django.contrib.contenttypes',
'django.contrib.sessions',
'django.contrib.messages',
'django.contrib.staticfiles',
'channels',
'commands'
]
    
#Redis信息
REDIS_OPTIONS = {
'HOST': '127.0.0.1',
'PORT': 6379,
'PASSWD': 'geekwolf',
'DB': 0
}
#可以使用内存存储Channels消息
#CHANNEL_LAYERS = {
#    "default": {
#        "BACKEND": "asgiref.inmemory.ChannelLayer",
#        "ROUTING": "channels_example.routing.channel_routing",
#    },
#}
#使用Redis作为消息存储,需安装asgi_redis
CHANNEL_LAYERS = {
 'default': {
   'BACKEND': 'asgi_redis.RedisChannelLayer',
   'CONFIG': {
    'hosts': ['redis://:{0}@{1}:{2}/{3}'.format(REDIS_OPTIONS['PASSWD'], REDIS_OPTIONS['HOST'], REDIS_OPTIONS['PORT'], 1)]
   },
   'ROUTING': 'plonvol.routing.channel_routing'
}
}
#Redis频道和Channels群组名
GROUP_NAME = 'alarm'

- 添加路由(routing.py)

- 订阅Redis报警消息脚本

(commands/management/commands/alert.py)

- 前端页面base.html

- 测试消息,用于发布消息到Redis

import redis
import json
rc = redis.Redis(host='127.0.0.1', password='geekwolf', port=6379, db=0)
msg = {"告警主机": "web-server-node1", "告警地址": "192.168.1133.11", "告警时间": "2017-11-11 05:05:22", "告警等级": "严重",
               "告警信息": "Web端口80监控", "问题详情": "80端口连接失败", "当前状态": "Problem", "事件ID": "12345"}
rc.publish('alarm', json.dumps(msg))

- 运行服务,测试

启动项目(http/websocket):
python manage.py runserver 0.0.0.0:8000
启动监听报警消息进程:
python manage.py alert

访问http://192.168.1.1:8000,运行test.py脚本