基于Netty实现高性能弹幕系统

文章目录

一、弹幕系统概要设计

什么是弹幕系统？

弹幕系统特点：

实时性高：你发我收，毫秒之差
并发量大：一人吐槽，万人观看

弹幕系统架构设计：

业务架构：

实现方案一：

实现方案二：

二、NettyHttp协议解析实现

在上述方案中浏览器不能直接能和Netty 建立连接其必须借助http 请求进行协议升级才能实现服务端与客户端基于Web Socket通信，其过程如下图：

也就是说如果我们想实现弹幕就必须先实现Http服务,那么Netty如何实现Http服务呢？

Http协议交互过程

协议交互本质是指协议两端（客户端、服务端）如何传输数据？如何交换数据？

传输数据一般基于TCP/IP 实现，体现到开发语言上就是我们所熟悉的Socket 编程。

交换数据本质是指，两端（客户端、服务端）能各自识别对方所发送的数据。那么这就需要制定一套报文编码格式，双方以该格式编码数据发送给对方。Http 对应的Request 与Response报文格式如下图：

request 报文：

response 报文：

1 http报文解析方案：

1：请求行的边界是CRLF(回车)，如果读取到CRLF(回车)，则意味着请求行的信息已经读取完成。

2：Header的边界是CRLF，如果连续读取两个CRLF，则意味着header的信息读取完成。

3：body的长度是有Content-Length 来进行确定。

2 netty关于http 的解决方案：

// 解析请求

很多http server的实现都是基于servlet标准，但是netty对http实现并没有基于servlet。所以在使用上比Servlet复杂很多。比如在servlet 中直接可以通过 HttpServletRequest 获取请求方法、请求头、请求参数。而netty 确需要通过如下对象自行解析获取。

HttpMethod：主要是对method的封装，包含method序列化的操作

HttpVersion: 对version的封装，netty包含1.0和1.1的版本

QueryStringDecoder: 主要是对urI进行解析，解析path和url上面的参数。

HttpPostRequestDecoder：对post 中body 内容进行解析获取 form 参数。

HttpHeaders：包含对header的内容进行封装及操作

HttpContent：是对body进行封装，本质上就是一个ByteBuf。如果ByteBuf的长度是固定的，则请求的body过大，可能包含多个HttpContent，其中最后一个为LastHttpContent(空的HttpContent),用来说明body的结束。

HttpRequest：主要包含对Request Line和Header的组合

FullHttpRequest：主要包含对HttpRequest和httpContent的组合

3 请求头与请求体

3.1 HttpRequest：主要包含对Request Line和Header的组合

浏览器中输入http://127.0.0.1:8080/ 进行访问
调试handler程序一次请求分两次发送分别为请求头和请求体

第一次：请求头

第二次：请求体

post请求携带参数的请求体

      @Override
        protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
   
			
            List<InterfaceHttpData> list = null;
            if (msg instanceof HttpContent) {
   
            	//注意： HttpPostRequestDecoder((HttpRequest) requestHead) 参数中msg需要传递第一次的请求头才可以 所以两次请求 第一次保持请求头（小心风险） 第二次解析请求体
                HttpPostRequestDecoder decoder = new 
                HttpPostRequestDecoder((Httequest) requestHead);
                decoder.offer((HttpContent) msg);
                list = decoder.getBodyHttpDatas();
            }

3.2. FullHttpRequest：主要包含对HttpRequest和httpContent的组合

使用方法：
代码片段

//ChannelInitializer<NioSocketChannel>(){}中
  //添加对HttpRequest和httpContent的组合处理器
  ch.pipeline().addLast("http-aggregator", new HttpObjectAggregator(65536));

这样一次就发一个包过来了

3.3. 如果传输包过大处理方法

传输包过大不应该使用FullHttpRequest 应该采用HttpRequest进行接收

handler 代码片段

   protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
   
        DefaultFullHttpResponse response = new DefaultFullHttpResponse(HttpVersion.HTTP_1_1, HttpResponseStatus.OK);
        //只有是最后一个包才会写回数据关闭流
        if(msg instanceof LastHttpContent){
   
            //写入请求头
            response.headers().set(HttpHeaderNames.CONTENT_TYPE, "text/html ; charset=UTF-8");//写入请求体
            response.content().writeBytes("luban is a good man".getBytes());
            ctx.writeAndFlush(response).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE); 
        }
    }

3.4 Netty Http的请求处理流程：

从图中可以看出做为服务端的Netty 就是在做编码和解码操作。其分别通过以下两个ChannelHandler对象实现：

HttpRequestDecoder :用于从byteBuf 获取数据并解析封装成HttpRequest 对象

HttpResponseEncoder：用于将业务返回数据编码成 Response报文并发送到ByteBuf。

将以上两个对象添加进 Netty 的 pipeline 即可实现最简单的http 服务。

通过一个示例演示Http实现：

编写serverBootstrap

初始pipeline

编写ServletHandler

Http完整流程介绍：

Decoder 流程：

最少分为两次两次请求
第一次：请求头
第二次：请求体
<mark>注意</mark>：如果请求体过大可能被拆分成多个包 LastHttpContent是请求体最后一个包

encode 流程：

三、协议

Http协议：半双工

半双工：浏览器可以主动向服务器发送数据但是服务器不可以主动向浏览器发送数据
服务器也监听不到浏览器的状态(断开关闭等)
文本协议：

WS协议：全双工

全双工：webSocket 全连接浏览器和服务器连接状态一直保持，可以使用心跳机制浏览器或服务器的状态在双方都可以进行判断监听
二进制协议：

WebScoket协议实现

webSocket 协议简介：

webSocket 是html5 开始提供的一种浏览器与服务器间进行全双工二进制通信协议，其基于TCP双向全双工作进行消息传递，同一时刻即可以发又可以接收消息，相比Http的半双工协议性能有很大的提升，

webSocket特点如下：

单一TCP长连接，采用全双工通信模式
对代理、防火墙透明

和http共用端口号，不需要在防火墙中开放端口号比如Tomcat Redis 需要在防火墙中开放端口（8080或6379）

比如：
RMI远程调用
注册端口：由我们程序指定8080等，需要去防火墙中开放 --> 防火墙透明
通信商品：由程序随机生成如4251…等等因为他是随机生成的我们不可能去防火墙中都打开 -->不透明的无法部署到公网

无头部信息、消息更精简
通过ping/pong 来保活
服务器可以主动推送消息给客户端，不在需要客户轮询

WebSocket 协议报文格式：

我们知道，任何应用协议都有其特有的报文格式，比如Http协议通过空格换行组成其报文。如http 协议不同在于WebSocket属于二进制协议，通过规范进二进位(不是字节)来组成其报文。具体组成如下图：

Http协议报文：

报文说明：

FIN

标识是否为此消息的最后一个数据包，占 1 bit

RSV1, RSV2, RSV3: 用于扩展协议，一般为0，各占1bit

Opcode

数据包类型（frame type），占4bits

0x0：标识一个中间数据包

0x1：标识一个text类型数据包

0x2：标识一个binary类型数据包

0x3-7：保留

0x8：标识一个断开连接类型数据包

0x9：标识一个ping类型数据包

0xA：表示一个pong类型数据包

0xB-F：保留

MASK：占1bits

用于标识PayloadData是否经过掩码处理。如果是1，Masking-key域的数据即是掩码密钥，用于解码PayloadData。客户端发出的数据帧需要进行掩码处理，所以此位是1。

Payload length

Payload data的长度，占7bits，7+16bits，7+64bits：

如果其值在0-125，则是payload的真实长度。

如果值是126，则后面2个字节形成的16bits无符号整型数的值是payload的真实长度。注意，网络字节序，需要转换。

如果值是127，则后面8个字节形成的64bits无符号整型数的值是payload的真实长度。注意，网络字节序，需要转换。

Payload data

应用层数据

WebSocket 在浏览当中的使用

Http 连接与webSocket 连接建立示意图：

通过javaScript 中的API可以直接操作WebSocket 对象，其示例如下：

var ws = new WebSocket(“ws://localhost:8080”);
ws.onopen = function()// 建立成功之后触发的事件 {
   
console.log(“打开连接”); ws.send("ddd"); // 发送消息
};

ws.onmessage = function(evt) {
    // 接收服务器消息
console.log(evt.data);
};

ws.onclose = function(evt) {
   
console.log(“WebSocketClosed!”); // 关闭连接
};

ws.onerror = function(evt) {
   
console.log(“WebSocketError!”); // 连接异常
};

弹幕系统实现讲解：

Http 协议后台实现：

webSocket 协议后台实现

弹幕系统前台实现

弹幕系统实时演示：

#启动服务

#查看当前端口连接数

netstat -nat|grep -i “8880”|wc -l

#查看指定进程线程数

pstree -p 3000 | wc -l