ALB使用WebSocket协议实现信息实时推送 - 负载均衡

WebSocket是一种在单个TCP连接上提供全双工通信渠道的网络协议。WebSocket的设计使得客户端和服务器之间可以实现持久连接，都能够主动地向对方发送数据或接收数据，减少了频繁建立连接的开销和延迟，这通常比传统的HTTP请求和响应模式更高效。WebSocket主要应用于需要实时通信功能的场景，ALB默认支持WebSocket协议。

WebSocket简介

为什么使用WebSocket

随着互联网技术的迅速发展，Web应用的多样化趋势日益显著，其中不少应用场景，例如直播间聊天室、实时弹幕等，都需要服务器具备实时推送数据的能力。传统的实现方式是通过轮询技术，即客户端浏览器在固定的时间间隔（例如每1秒）向服务器发起HTTP请求，服务器随后将最新数据返回给客户端。然而，这种模式存在显著的不足，客户端需要频繁地发起请求，而HTTP请求的头部信息通常较长，有效数据却相对较少，这不仅增加了服务器的负担，也造成了带宽资源的极大浪费。

为了解决这些问题，HTML5引入了WebSocket协议，它为服务器与客户端之间的通信提供了更为高效的解决方案。WebSocket协议支持全双工通信，这意味着服务器和客户端可以同时进行数据的发送和接收，从而允许服务器在有新数据时主动推送给客户端，无需客户端不断轮询。这种双向实时通信机制显著提高了数据传输的效率，减少不必要的网络请求，有效节省服务器资源和带宽，同时为用户带来更为流畅和实时的交互体验。

WebSocket协议的特性

WebSocket通信前，首先客户端与服务器要进行TCP三次握手连接，然后进行一次叫做“握手”的特殊HTTP请求进行协议升级，完成协议升级后原始的HTTP连接被升级到WebSocket连接。在协议升级后，客户端和服务器之间的通信将使用WebSocket协议进行而不再是HTTP，可以在同一个WebSocket连接上进行双向通信。

WebSocket连接一旦经过握手协商成功建立，便能维持活跃状态，使得双方能如同使用原始套接字(Socket)那样进行连续不断的双向数据传输，而不必为每个通信回合重新发起连接或等待确认。通过WebSocket，客户端和服务器之间得以建立一种持久、低延迟的连接，极大地提升了数据交换效率。

WebSocket通过数据帧进行通信，它有自己的帧协议格式，头信息更简洁，数据可以作为文本或二进制传输。这种方式减少了持久连接上额外的协议开销，允许更高效的网络交互，能够在节省服务器资源和带宽的同时，提供更优质的实时互动体验。

关于WebSocket协议的更多信息，可参考官方文档The WebSocket Protocol。

WebSocket应用场景

WebSocket主要适用于需要快速、实时的双向通信的应用场景，例如AI应用、在线聊天室、实时通知系统、多人在线游戏、实时市场信息推送等。

场景示例

某公司需要在阿里云上部署Web在线聊天应用，用户可以通过访问域名来接入后端服务进行实时交流。该应用由于其即时通讯的特性，要求用户之间的信息传递必须具备低延迟、高效率和双向实时的特点。

该公司的网站服务面临的挑战是高并发与长连接管理。随着用户数量的增长，传统的HTTP模式无法满足大量用户同时在线并保持实时通信的需求，因为每次通信都需要重新建立连接，这会导致服务器压力剧增且性能低下。

在这个场景下，选用ALB结合WebSocket协议，能够有效解决高并发下的长连接管理问题。通过后端服务器组多服务器部署WebSocket应用程序，并使用Redis进行消息同步，确保服务的高可用性，从而为在线聊天室应用提供了一个可靠、高效的实时信息推送解决方案。

注意事项

ALB的HTTP监听默认支持WebSocket协议。ALB默认支持热更新，即配置变更时不会影响已有长连接。

使用时需要注意如下事项：

若ALB与后端服务器的连接采用某个版本的HTTP协议（例如HTTP/1.1），建议后端服务器采用支持同样HTTP协议版本的Web Server。
HTTP监听的默认连接请求超时时间为60秒，即如果ALB与后端服务超过60秒无消息交互，会主动断开连接。
- 如果60秒无法满足您的需求，您可以通过修改监听的连接请求超时时间字段，调整该时间值。
- 如果需要维持连接一直不中断，需要主动实现保活机制，每60秒内进行一次报文交互。

前提条件

已创建公网ALB实例。具体操作，请参见创建应用型负载均衡。
已准备3个云服务器ECS01、ECS02、ECS03。
- ECS01、ECS02用于部署WebSocket应用程序，ECS03用于部署Redis。
- 本文示例中服务器操作系统统一为CentOS7.9。
- ECS01、ECS02、ECS03建议处于同一安全组中。如果分配了不同的安全组，注意互相放行服务器需要通信的端口。
已经注册域名并完成备案。具体操作，请参见注册阿里云域名、ICP备案。

操作步骤

步骤一：部署服务

您需要在您的ECS03服务器中部署Redis，在ECS01、ECS02服务器中部署WebSocket应用程序。

本文以CentOS 7.9为示例，演示使用Python快速部署一个简易的在线聊天室测试服务。示例仅供参考，实际使用过程中以您自己开发的程序和服务为准。

在ECS03部署Redis服务

登录ECS03服务器后台。

复制粘贴如下命令，并执行，完成Redis部署与配置。

# 安装 EPEL (Extra Packages for Enterprise Linux)
sudo yum install epel-release -y

# 安装 Redis
sudo yum install redis -y

# 启动并启用 Redis 服务
sudo systemctl start redis
sudo systemctl enable redis

# 检查并编辑 Redis 配置文件，允许远程连接
sudo sed -i 's/^bind 127.0.0.1$/bind 0.0.0.0/' /etc/redis.conf
sudo sed -i 's/^protected-mode yes/protected-mode no/' /etc/redis.conf

# 重启 Redis 服务以使更改生效
sudo systemctl restart redis

# 检查 Redis 是否运行
sudo systemctl status redis

命令执行无报错，并且命令运行完成后，返回如下信息并显示Redis服务为active(running)状态，表示部署与配置成功。

在ECS01中部署WebSocket应用程序

登录ECS01服务器后台。
执行sudo pip3 install flask flask-socketio flask-cors redis，安装依赖库。
执行vi ECS01_ws.py，按i键进入编辑模式。

复制并粘贴如下代码：

部署测试服务代码参考

说明

注意第13行的redis_url中的IP地址，需要修改为Redis服务器的IP地址，即ECS03的IP地址。

import os
import redis
from flask import Flask, render_template, request
from flask_cors import CORS
from flask_socketio import SocketIO, emit, disconnect

app = Flask(__name__)
app.config['SECRET_KEY'] = 'secret!'
# 启用跨域资源共享（CORS）
CORS(app)

# 配置 Redis 作为消息队列和状态存储
redis_url = "redis://192.168.*.*:6379/0"  # 替换为你的 Redis 服务器 IP
redis_client = redis.StrictRedis.from_url(redis_url)

# 日志级别增加为 DEBUG 以便于调试
socketio = SocketIO(app, message_queue=redis_url, manage_session=True, logger=True, engineio_logger=True, cors_allowed_origins="*")

SESSION_PREFIX = "session:"


def set_session_data(session_id, key, value):
    redis_client.hset(f"{SESSION_PREFIX}{session_id}", key, value)


def get_session_data(session_id, key):
    return redis_client.hget(f"{SESSION_PREFIX}{session_id}", key)


def delete_session_data(session_id):
    redis_client.delete(f"{SESSION_PREFIX}{session_id}")


@app.route('/')
def index():
    return render_template('index.html')


@socketio.on('connect')
def handle_connect():
    try:
        session_id = request.sid  # 获取客户端的 session ID
        print(f"Session {session_id} connected.")
        welcome_message = "您已进入聊天室！"
        emit('message', welcome_message)
        set_session_data(session_id, "username", '')  # 初始化用户名为空
    except Exception as e:
        print(f"Error during connection: {str(e)}")


@socketio.on('disconnect')
def handle_disconnect():
    try:
        session_id = request.sid
        username = get_session_data(session_id, "username")
        if username:
            username = username.decode()
            leave_message = f"{username} 已离开聊天室。"
            emit('message', leave_message, broadcast=True)
            print(leave_message)
        delete_session_data(session_id)
        print(f"Session {session_id} disconnected.")
    except Exception as e:
        print(f"Error during disconnection: {str(e)}")


@socketio.on('set_username')
def handle_set_username(username):
    session_id = request.sid
    set_session_data(session_id, "username", username)
    print(f"客户端 {session_id} 的用户名设置为 {username}")
    emit('message', f"您的用户名已设置为：{username}")


@socketio.on('message')
def handle_message(msg):
    session_id = request.sid
    username = get_session_data(session_id, "username")
    if username:
        username = username.decode()
        formatted_message = f"{username}：{msg}"
        emit('message', formatted_message, broadcast=True)
        print(formatted_message)
    else:
        warning_message = "发送消息失败：请先设置用户名。"
        emit('message', warning_message)
        print(warning_message)


if __name__ == '__main__':
    # 确保存在 templates 目录
    if not os.path.exists('templates'):
        os.makedirs('templates')

    # 使用 Flask 模板（index.html）
    html_code = '''<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>聊天室</title>
    <style>
        body {
            font-family: Arial, sans-serif;
            display: flex;
            flex-direction: column;
            align-items: center;
            margin: 0;
            padding: 0;
            background-color: #f0f0f0;
        }
        h1 {
            color: #333;
        }
        .chat-container {
            width: 90%;
            max-width: 600px;
            background: white;
            padding: 20px;
            border-radius: 8px;
            box-shadow: 0 0 10px rgba(0, 0, 0, 0.1);
        }
        .user-container, .message-container {
            display: flex;
            margin-bottom: 10px;
        }
        .user-container input, .message-container input {
            flex: 1;
            padding: 10px;
            margin-right: 10px;
            border: 1px solid #ccc;
            border-radius: 4px;
        }
        .message-container {
            margin-top: 10px;
        }
        button {
            padding: 10px;
            background-color: #0056b3;
            color: white;
            border: none;
            border-radius: 4px;
            cursor: pointer;
        }
        button:hover {
            background-color: #004099;
        }
        #messages {
            border: 1px solid #ccc;
            padding: 10px;
            height: 300px;
            overflow-y: scroll;
            margin-bottom: 10px;
            border-radius: 4px;
            background-color: #f9f9f9;
        }
    </style>
    <script src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/socket.io/4.0.1/socket.io.js"></script>
    <script src="https://code.jquery.com/jquery-3.6.0.min.js"></script>
</head>
<body>
    <h1>在线聊天室</h1>
    <div class="chat-container">
        <div class="user-container">
            <input type="text" id="username" autocomplete="off" placeholder="请输入用户名">
            <button onclick="setUsername()">设置用户名</button>
        </div>
        <div id="messages"></div>
        <div class="message-container">
            <input type="text" id="myMessage" autocomplete="off" placeholder="请输入消息...">
            <button onclick="sendMessage()">发送</button>
        </div>
    </div>
    <script>
        var socket = io({ transports: ['websocket', 'polling', 'flashsocket'] });
        var usernameSet = false;
        socket.on('connect', function() {
            console.log("Connected to the server!");
            socket.on('message', function(msg){
                $('#messages').append($('<div>').text(msg));
                $('#messages').scrollTop($('#messages')[0].scrollHeight);
            });
        });
        function setUsername() {
            var username = $('#username').val();
            if (username) {
                socket.emit('set_username', username);
                usernameSet = true;  // 设置用户名标识
            } else {
                alert("用户名不能为空！");
            }
        }
        function sendMessage() {
            if (usernameSet) {
                var message = $('#myMessage').val();
                if (message) {
                    socket.send(message);
                    $('#myMessage').val('');
                } else {
                    alert("消息不能为空！");
                }
            } else {
                alert("请先设置用户名！");
            }
        }
    </script>
</body>
</html>
'''

    # 将模板保存到文件
    with open('templates/index.html', 'w') as file:
        file.write(html_code)

    socketio.run(app, host='0.0.0.0', port=5000)

按Esc键，输入:wq保存修改。
执行sudo python3 ECS01_ws.py命令，运行脚本。

当最后显示如下执行结果时，表示WebSocket应用程序已启动，端口为5000。

Server initialized for threading.
 * Serving Flask app 'ECS01_ws' (lazy loading)
 * Environment: production
   WARNING: This is a development server. Do not use it in a production deployment.
   Use a production WSGI server instead.
 * Debug mode: off
 * Running on all addresses.
   WARNING: This is a development server. Do not use it in a production deployment.
 * Running on http://192.168.*.*:5000/ (Press CTRL+C to quit)

如果出现启动失败，需要排查下端口是否已被占用，或者命令及代码是否复制粘贴错误。

在ECS02中部署WebSocket应用程序

登录ECS02服务器后台。
执行sudo pip3 install flask flask-socketio flask-cors redis，安装依赖库。
执行vi ECS02_ws.py，按i键进入编辑模式。

复制并粘贴如下代码：

部署测试服务代码参考

说明

注意第13行的redis_url中的IP地址，需要修改为Redis服务器的IP地址，即ECS03的IP地址。

import os
import redis
from flask import Flask, render_template, request
from flask_cors import CORS
from flask_socketio import SocketIO, emit, disconnect

app = Flask(__name__)
app.config['SECRET_KEY'] = 'secret!'
# 启用跨域资源共享（CORS）
CORS(app)

# 配置 Redis 作为消息队列和状态存储
redis_url = "redis://192.168.*.*:6379/0"  # 替换为你的 Redis 服务器 IP
redis_client = redis.StrictRedis.from_url(redis_url)

# 日志级别增加为 DEBUG 以便于调试
socketio = SocketIO(app, message_queue=redis_url, manage_session=True, logger=True, engineio_logger=True, cors_allowed_origins="*")

SESSION_PREFIX = "session:"


def set_session_data(session_id, key, value):
    redis_client.hset(f"{SESSION_PREFIX}{session_id}", key, value)


def get_session_data(session_id, key):
    return redis_client.hget(f"{SESSION_PREFIX}{session_id}", key)


def delete_session_data(session_id):
    redis_client.delete(f"{SESSION_PREFIX}{session_id}")


@app.route('/')
def index():
    return render_template('index.html')


@socketio.on('connect')
def handle_connect():
    try:
        session_id = request.sid  # 获取客户端的 session ID
        print(f"Session {session_id} connected.")
        welcome_message = "您已进入聊天室！"
        emit('message', welcome_message)
        set_session_data(session_id, "username", '')  # 初始化用户名为空
    except Exception as e:
        print(f"Error during connection: {str(e)}")


@socketio.on('disconnect')
def handle_disconnect():
    try:
        session_id = request.sid
        username = get_session_data(session_id, "username")
        if username:
            username = username.decode()
            leave_message = f"{username} 已离开聊天室。"
            emit('message', leave_message, broadcast=True)
            print(leave_message)
        delete_session_data(session_id)
        print(f"Session {session_id} disconnected.")
    except Exception as e:
        print(f"Error during disconnection: {str(e)}")


@socketio.on('set_username')
def handle_set_username(username):
    session_id = request.sid
    set_session_data(session_id, "username", username)
    print(f"客户端 {session_id} 的用户名设置为 {username}")
    emit('message', f"您的用户名已设置为：{username}")


@socketio.on('message')
def handle_message(msg):
    session_id = request.sid
    username = get_session_data(session_id, "username")
    if username:
        username = username.decode()
        formatted_message = f"{username}：{msg}"
        emit('message', formatted_message, broadcast=True)
        print(formatted_message)
    else:
        warning_message = "发送消息失败：请先设置用户名。"
        emit('message', warning_message)
        print(warning_message)


if __name__ == '__main__':
    # 确保存在 templates 目录
    if not os.path.exists('templates'):
        os.makedirs('templates')

    # 使用 Flask 模板（index.html）
    html_code = '''<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>聊天室</title>
    <style>
        body {
            font-family: Arial, sans-serif;
            display: flex;
            flex-direction: column;
            align-items: center;
            margin: 0;
            padding: 0;
            background-color: #f0f0f0;
        }
        h1 {
            color: #333;
        }
        .chat-container {
            width: 90%;
            max-width: 600px;
            background: white;
            padding: 20px;
            border-radius: 8px;
            box-shadow: 0 0 10px rgba(0, 0, 0, 0.1);
        }
        .user-container, .message-container {
            display: flex;
            margin-bottom: 10px;
        }
        .user-container input, .message-container input {
            flex: 1;
            padding: 10px;
            margin-right: 10px;
            border: 1px solid #ccc;
            border-radius: 4px;
        }
        .message-container {
            margin-top: 10px;
        }
        button {
            padding: 10px;
            background-color: #0056b3;
            color: white;
            border: none;
            border-radius: 4px;
            cursor: pointer;
        }
        button:hover {
            background-color: #004099;
        }
        #messages {
            border: 1px solid #ccc;
            padding: 10px;
            height: 300px;
            overflow-y: scroll;
            margin-bottom: 10px;
            border-radius: 4px;
            background-color: #f9f9f9;
        }
    </style>
    <script src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/socket.io/4.0.1/socket.io.js"></script>
    <script src="https://code.jquery.com/jquery-3.6.0.min.js"></script>
</head>
<body>
    <h1>在线聊天室</h1>
    <div class="chat-container">
        <div class="user-container">
            <input type="text" id="username" autocomplete="off" placeholder="请输入用户名">
            <button onclick="setUsername()">设置用户名</button>
        </div>
        <div id="messages"></div>
        <div class="message-container">
            <input type="text" id="myMessage" autocomplete="off" placeholder="请输入消息...">
            <button onclick="sendMessage()">发送</button>
        </div>
    </div>
    <script>
        var socket = io({ transports: ['websocket', 'polling', 'flashsocket'] });
        var usernameSet = false;
        socket.on('connect', function() {
            console.log("Connected to the server!");
            socket.on('message', function(msg){
                $('#messages').append($('<div>').text(msg));
                $('#messages').scrollTop($('#messages')[0].scrollHeight);
            });
        });
        function setUsername() {
            var username = $('#username').val();
            if (username) {
                socket.emit('set_username', username);
                usernameSet = true;  // 设置用户名标识
            } else {
                alert("用户名不能为空！");
            }
        }
        function sendMessage() {
            if (usernameSet) {
                var message = $('#myMessage').val();
                if (message) {
                    socket.send(message);
                    $('#myMessage').val('');
                } else {
                    alert("消息不能为空！");
                }
            } else {
                alert("请先设置用户名！");
            }
        }
    </script>
</body>
</html>
'''

    # 将模板保存到文件
    with open('templates/index.html', 'w') as file:
        file.write(html_code)

    socketio.run(app, host='0.0.0.0', port=5000)

按Esc键，输入:wq保存修改。
执行sudo python3 ECS02_ws.py命令，运行脚本。

当最后显示如下执行结果时，表示WebSocket应用程序已启动，端口为5000。

Server initialized for threading.
 * Serving Flask app 'ECS02_ws' (lazy loading)
 * Environment: production
   WARNING: This is a development server. Do not use it in a production deployment.
   Use a production WSGI server instead.
 * Debug mode: off
 * Running on all addresses.
   WARNING: This is a development server. Do not use it in a production deployment.
 * Running on http://192.168.*.*:5000/ (Press CTRL+C to quit)

如果出现启动失败，需要排查下端口是否已被占用，或者命令及代码是否复制粘贴错误。

步骤二：配置服务器组

登录应用型负载均衡ALB控制台。
在顶部菜单栏，选择实例所属的地域。
在左侧导航栏，选择服务器组。
单击创建服务器组。在创建服务器组页面配置以下信息，其他参数可保持默认值或根据实际情况修改。完成后单击创建。
配置
说明
服务器组类型
选择服务器类型。
VPC
选择后端服务器即ECS01、ECS02所在的VPC。
后端服务器需要与ALB实例处于同一VPC中。
在弹出的服务器组创建成功窗口中，单击添加后端服务器。
在添加后端服务器配置页面，选中ECS01与ECS02并完成添加，注意端口需要配置为WebSocket应用程序端口。本文代码示例中WebSocket应用程序端口为5000。

步骤三：配置HTTP监听

登录应用型负载均衡ALB控制台。
在顶部菜单栏，选择实例所属的地域。
在左侧导航栏，选择实例。
在实例页面，找到目标实例，然后在操作列单击创建监听。
在配置监听页面配置以下信息，其他参数可保持默认值或根据实际情况修改。完成后单击下一步。
配置
说明
选择监听协议
选择HTTP。
监听端口
本文配置端口5000。
在选择服务器组页面配置以下信息，其他参数可保持默认值或根据实际情况修改。完成后单击下一步。
配置
说明
选择服务器组
选择此前已创建好的服务器组。
在配置审核页面，检查配置参数是否有误，无误的话单击提交，等待监听创建完成。

步骤四：配置域名解析

实际业务场景中，建议您使用自有域名，通过CNAME解析的方式将自有域名指向ALB实例域名。

在左侧导航栏，选择应用型负载均衡 ALB > 实例
在实例页面，复制已创建的ALB实例的DNS名称。

执行以下步骤添加CNAME解析记录。

说明

对于非阿里云注册域名，需先将域名添加到云解析控制台，才可以进行域名解析设置。具体操作，请参见域名管理。如果您是阿里云注册的域名，请直接执行以下步骤。

登录域名解析控制台。
在权威域名解析页面，找到目标域名，在操作列单击解析设置。
在解析设置页面，单击添加记录。

在添加记录面板，配置以下信息完成CNAME解析配置，然后单击确定。

配置	说明
记录类型	在下拉列表中选择CNAME。
主机记录	您的域名的前缀。本文输入`@`。说明创建域名为根域名时，主机记录为`@`。
解析请求来源	选择默认。
记录值	输入域名对应的CNAME地址，即您复制的ALB实例的DNS名称。
TTL	全称Time To Live，表示DNS记录在DNS服务器上的缓存时间，本文使用默认值。

步骤五：结果验证

准备2个不同IP地址的能够访问公网的终端电脑，通过在浏览器输入聊天消息并查看效果，验证ALB使用WebSocket协议实现信息实时推送。

在浏览器中输入http://域名:5000，访问在线聊天室应用。
页面访问成功示例：
如果您打开了浏览器开发者工具，您可以在网络或Network页签看到，浏览器已经在使用WebSocket协议进行通信。
输入用户名用于后续聊天交互，完成后单击设置用户名。
在不同终端电脑中，分别输入多条聊天消息并单击发送，进行测试。
所有浏览器中，均可以实时收到消息。
如上验证过程表明，通过ALB使用WebSocket协议实现了信息实时推送，并且实现了高可用。

常见问题

如何使用WebSocket Secure协议？

WebSocket Secure是WebSocket协议的加密版本。

HTTPS监听默认支持WebSocket Secure协议。您在配置监听时，选择使用HTTPS监听，即可使用WebSocket Secure协议。

使用WebSocket收费吗？

WebSocket和WebSocket Secure协议不额外收取费用。

哪些地域支持WebSocket？

ALB支持的所有地域，都已支持WebSocket和WebSocket Secure。

负载均衡：ALB使用WebSocket协议实现信息实时推送