CocosCreator通用框架设计之网络
前言
在 Cocos Creator 中发起一个 http 请求是比较简单的，但很多游戏希望能够和服务器之间保持长连接，以便服务端能够主动向客户端推送消息，而非总是由客户端发起请求，对于实时性要求较高的游戏更是如此。这里我们会设计一个通用的网络框架，可以方便地应用于我们的项目中。
使用websocket
在实现这个网络框架之前，我们先了解一下 websocket。websocket 是一种基于 tcp 的全双工网络协议，可以让网页创建持久性的连接，进行双向的通讯。在 Cocos Creator 中使用 websocket 既可以用于 H5 网页游戏上，同样支持原生平台 Android 和 iOS。
构造 websocket 对象
在使用 websocket 时，第一步应该创建一个 websocket 对象。websocket 对象的构造函数可以传入2个参数，第一个是 url 字符串，第二个是协议字符串或字符串数组，指定了可接受的子协议，服务端需要选择其中的一个返回，才会建立连接，但我们一般用不到。
url 参数非常重要，主要分为4部分：协议、地址、端口、资源。
比如 ws://echo.websocket.org：
- 协议：必选项，默认是 ws 协议，如果需要安全加密则使用 wss。
- 地址：必选项，可以是 ip 或域名，当然建议使用域名。
- 端口：可选项，在不指定的情况下，ws 的默认端口为 80，wss 的默认端口为 443。
- 资源：可选性，一般是跟在域名后某资源路径，我们基本不需要它。
websocket 的状态
websocket 有4个状态，可以通过 readyState 属性查询：
- 0 CONNECTING 尚未建立连接。
- 1 OPEN WebSocket连接已建立，可以进行通信。
- 2 CLOSING 连接正在进行关闭握手，或者该close()方法已被调用。
- 3 CLOSED 连接已关闭。
websocket 的 API
websocket 只有2个 API，void send( data ) 发送数据和 void close( code, reason ) 关闭连接。
send 方法只接收一个参数――即要发送的数据，类型可以是以下4个类型的任意一种：string | ArrayBufferLike | Blob | ArrayBufferView。
如果要发送的数据是二进制，我们可以通过 websocket 对象的 binaryType 属性来指定二进制的类型，binaryType 只可以被设置为“blob”或“arraybuffer”，默认为“blob”。如果我们要传输的是文件这样较为固定的、用于写入到磁盘的数据，使用 blob。而你希望传输的对象在内存中进行处理则使用较为灵活的 arraybuffer。如果要从其他非 blob 对象和数据构造一个 blob，需要使用 blob 的构造函数。
在发送数据时，官方有2个建议：
- 检测 websocket 对象的 readyState 是否为 OPEN，是才进行 send。
- 检测 websocket 对象的 bufferedAmount 是否为0，是才进行 send(为了避免消息堆积，该属性表示调用 send 后堆积在 websocket 缓冲区的还未真正发送出去的数据长度)。
close 方法接收2个可选的参数，code 表示错误码，我们应该传入 1000 或 3000～4999 之间的整数，reason 可以用于表示关闭的原因，长度不可超过 123 字节。
websocket 的回调
websocket 提供了4个回调函数供我们绑定：
- onopen：连接成功后调用。
- onmessage：有消息过来时调用：传入的对象有 data 属性，可能是字符串、blob 或 arraybuffer。
- onerror：出现网络错误时调用：传入的对象有 data 属性，通常是错误描述的字符串。
- onclose：连接关闭时调用：传入的对象有 code、reason、wasClean 等属性。
注意：当网络出错时，会先调用 onerror 再调用 onclose，无论何种原因的连接关闭，onclose 都会被调用。
Echo 实例
下面 websocket 官网的 echo demo 的代码，可以将其写入一个 html 文件中并用浏览器打开，打开后会自动创建 websocket 连接，在连接上时主动发送了一条消息“WebSocket rocks”，服务器会将该消息返回，触发 onMessage，将信息打印到屏幕上，然后关闭连接。具体可以参考：http://www.websocket.org/echo.html17
默认的 url 前缀是wss，由于 wss 抽风，使用 ws 才可以连接上，如果 ws 也抽风，可以试试连这个地址ws://121.40.165.18:8800，这是国内的一个免费测试 websocket 的网址。
设计框架
一个通用的网络框架，在通用的前提下还需要能够支持各种项目的差异需求，根据经验，常见的需求差异如下：
- 用户协议差异，游戏可能传输 json、protobuf、flatbuffer 或者自定义的二进制协议。
- 底层协议差异，我们可能使用 websocket、或者微信小游戏的 wx.websocket、甚至在原生平台我们希望使用 tcp/udp/kcp 等协议。
- 登陆认证流程，在使用长连接之前我们理应进行登陆认证，而不同游戏登陆认证的方式不同。
- 网络异常处理，比如超时时间是多久，超时后的表现是怎样的，请求时是否应该屏蔽 UI 等待服务器响应，网络断开后表现如何，自动重连还是由玩家点击重连按钮进行重连，重连之后是否重发断网期间的消息？等等这些。
- 多连接的处理，某些游戏可能需要支持多个不同的连接，一般不会超过2个，比如一个主连接负责处理大厅等业务消息，一个战斗连接直接连战斗服务器，或者连接聊天服务器。
根据上面的这些需求，我们对功能模块进行拆分，尽量保证模块的高内聚，低耦合。
ProtocolHelper 协议处理模块――当我们拿到一块 buffer时，我们可能需要知道这个 buffer 对应的协议或者 id 是多少，比如我们在请求的时候就传入了响应的处理回调，那么常用的做法可能会用一个自增的 id 来区别每一个请求，或者是用协议号来区分不同的请求，这些是开发者需要实现的。我们还需要从 buffer 中获取包的长度是多少？包长的合理范围是多少？心跳包长什么样子等等。
Socket 模块――实现最基础的通讯功能，首先定义 Socket 的接口类 ISocket，定义如连接、关闭、数据接收与发送等接口，然后子类继承并实现这些接口。
NetworkTips 网络显示模块――实现如连接中、重连中、加载中、网络断开等状态的显示，以及 UI 的屏蔽。
NetNode 网络节点――所谓网络节点，其实主要的职责是将上面的功能串联起来，为用户提供一个易用的接口。
NetManager 管理网络节点的单例――我们可能有多个网络节点(多条连接)，所以这里使用单例来进行管理，使用单例来操作网络节点也会更加方便。
ProtocolHelper
在这里定义了一个 IProtocolHelper 的简单接口，如下所示：
export type NetData = (string | ArrayBufferLike | Blob | ArrayBufferView);// 协议辅助接口
export interface IProtocolHelper
{
getHeadlen(): number; // 返回包头长度
getHearbeat(): NetData; // 返回一个心跳包
getPackageLen(msg: NetData): number; // 返回整个包的长度
checkPackage(msg: NetData): boolean; // 检查包数据是否合法
getPackageId(msg: NetData): number; // 返回包的id或协议类型
}
Socket
在这里定义了一个 ISocket 的简单接口，如下所示：
// Socket接口
export interface ISocket {
onConnected: (event) => void; //连接回调
onMessage: (msg: NetData) => void; // 消息回调
onError: (event) => void; // 错误回调
onClosed: (event) => void; // 关闭回调
connect(ip: string, port: number); // 连接接口
send(buffer: NetData); // 数据发送接口
close(code?: number, reason?: string); // 关闭接口
}
接下来我们实现一个 WebSock，继承于 ISocket，我们只需要实现 connect、send 和 close 接口即可。send 和 close 都是对 websocket 对简单封装，connect 则需要根据传入的 ip、端口等参数构造一个 url 来创建 websocket，并绑定 websocket 的回调。
export class WebSock implements ISocket {
private _ws: WebSocket = null; // websocket对象
onConnected: (event) => void = null;
onMessage: (msg) => void = null;
onError: (event) => void = null;
onClosed: (event) => void = null;
connect(options: any) {
if (this._ws) {
if (this._ws.readyState === WebSocket.CONNECTING) {
console.log("websocket connecting, wait for a moment...")
return false;
}
}
let url = null;
if(options.url) {
url = options.url;
} else {
let ip = options.ip;
let port = options.port;
let protocol = options.protocol;
url = `${protocol}://${ip}:${port}`;
}
this._ws = new WebSocket(url);
this._ws.binaryType = options.binaryType ? options.binaryType : "arraybuffer";
this._ws.onmessage = (event) => {
this.onMessage(event.data);
};
this._ws.onopen = this.onConnected;
this._ws.onerror = this.onError;
this._ws.onclose = this.onClosed;
return true;
}
send(buffer: NetData) {
if (this._ws.readyState == WebSocket.OPEN) {
this._ws.send(buffer);
return true;
}
return false;
}
close(code?: number, reason?: string) {
this._ws.close();
}
}
NetworkTips
INetworkTips 提供了非常的接口，重连和请求的开关，框架会在合适的时机调用它们，我们可以继承 INetworkTips 并定制我们的网络相关提示信息，需要注意的是这些接口可能会被**多次调用**。
// 网络提示接口
export interface INetworkTips {
connectTips(isShow: boolean): void;
reconnectTips(isShow: boolean): void;
requestTips(isShow: boolean): void;
}
NetNode
NetNode 是整个网络框架中最为关键的部分，一个 NetNode 实例表示一个完整的连接对象，基于 NetNode 我们可以方便地进行扩展，它的主要职责有：
连接维护
- 连接的建立与鉴权(是否鉴权、如何鉴权由用户的回调决定)
- 断线重连后的数据重发处理
- 心跳机制确保连接有效(心跳包间隔由配置，心跳包的内容由ProtocolHelper定义)
- 连接的关闭
数据发送
- 支持断线重传，超时重传
- 支持唯一发送(避免同一时间重复发送)
数据接收
- 支持持续监听
- 支持request-respone模式
界面展示
- 可自定义网络延迟、短线重连等状态的表现
- 首先我们定义了 NetTipsType、NetNodeState 两个枚举，以及 NetConnectOptions 结构供 NetNode 使用。
- 接下来是 NetNode 的成员变量，NetNode 的变量可以分为以下几类：
- NetNode 自身的状态变量，如 ISocket 对象、当前状态、连接参数等等。
- 各种回调，包括连接、断开连接、协议处理、网络提示等回调。
- 各种定时器，如心跳、重连相关的定时器。
- 请求列表与监听列表，都是用于接收到的消息处理。
接下来介绍网络相关的成员函数，首先看初始化与：
- init 方法用于初始化 NetNode，主要是指定 Socket 与协议等处理对象。
- connect 方法用于连接服务器。
- initSocket 方法用于绑定 Socket 的回调到 NetNode 中。
- updateNetTips 方法用于刷新网络提示。
onConnected 方法在网络连接成功后调用，自动进入鉴权流程(如果设置了_connectedCallback)，在鉴权完成后需要调用 onChecked 方法使 NetNode 进入可通讯的状态，在未鉴权的情况，我们不应该发送任何业务请求，但登录验证这类请求应该发送给服务器，这类请求可以通过带force参数强制发送给服务器。
接收到任何消息都会触发 onMessage，首先会对数据包进行校验，校验的规则可以在自己的 ProtocolHelper 中实现，如果是一个合法的数据包，我们会将心跳和超时计时器进行更新――重新计时，最后在 _requests 和 _listener 中找到该消息的处理函数，这里是通过 rspCmd 进行查找的，rspCmd 是从 ProtocolHelper 的 getPackageId 取出的，我们可以将协议的命令或者序号返回，由我们自己来决定请求和响应如何对应。
onError 和 onClosed 是网络出错和关闭时调用的，无论是否出错，最终都会调用 onClosed，在这里我们执行断线回调，以及做自动重连的处理。当然也可以调用 close来关闭套接字。close 与 closeSocket 的区别在于 closeSocket 只是关闭套接字――我仍然要使用当前的 NetNode，可能通过下一次 connect 恢复网络。而 close则是清除所有的状态。
发起网络请求有3种方式：
send 方法，纯粹地发送数据，如果当前断网或者验证中会进入 _request 队列。
request 方法，在请求的时候即以闭包的方式传入回调，在该请求的响应回到时会执行回调，如果同时有多个相同的请求，那么这 N 个请求的响应会依次回到客户端，响应回调也会依次执行(每次只会执行一个回调)。
requestUnique 方法，如果我们不希望有多个相同的请求，可以使用 requestUnique 来确保每一种请求同时只会有一个。
这里确保没有重复之所以使用的是遍历 _requests，是因为我们不会积压大量的请求到 _requests中，超时或异常重发也不会导致 _requests 的积压，因为重发的逻辑是由 NetNode 控制的，而且在网络断开的情况下，我们理应屏蔽用户发起请求，此时一般会有一个全屏遮罩――网络出现波动之类的提示。
我们有2种回调，一种是前面的 request 回调，这种回调是临时性的，一般随着请求-响应-执行而立即清理，_listener 回调则是常驻的，需要我们手动管理的，比如打开某界面时监听、离开是关闭，或者在游戏一开始就进行监听。适合处理服务器的主动推送消息。
最后是心跳与超时相关的定时器，我们每隔 _heartTime 会发送一个心跳包，每隔 _receiveTime 检测如果没有收到服务器返回的包，则判断网络断开。
完整代码，大家可以进入源码查看！
NetManager
NetManager 用于管理 NetNode，这是由于我们可能需要支持多个不同的连接对象，所以需要一个 NetManager 专门来管理 NetNode，同时，NetManager 作为一个单例，也可以方便我们调用网络。
export class NetManager {
private static _instance: NetManager = null;
protected _channels: {
[key: number]: NetNode
} = {};
public static getInstance(): NetManager {
if (this._instance == null) {
this._instance = new NetManager();
}
return this._instance;
} // 添加Node，返回ChannelID
public setNetNode(newNode: NetNode, channelId: number = 0) {
this._channels[channelId] = newNode;
} // 移除Node
public removeNetNode(channelId: number) {
delete this._channels[channelId];
} // 调用Node连接
public connect(options: NetConnectOptions, channelId: number = 0): boolean {
if (this._channels[channelId]) {
return this._channels[channelId].connect(options);
}
return false;
} // 调用Node发送
public send(buf: NetData, force: boolean = false, channelId: number = 0): boolean {
let node = this._channels[channelId];
if (node) {
return node.send(buf, force);
}
return false;
} // 发起请求，并在在结果返回时调用指定好的回调函数
public request(buf: NetData, rspCmd: number, rspObject: CallbackObject, showTips: boolean = true, force: boolean =
false, channelId: number = 0) {
let node = this._channels[channelId];
if (node) {
node.request(buf, rspCmd, rspObject, showTips, force);
}
} // 同request，但在request之前会先判断队列中是否已有rspCmd，如有重复的则直接返回
public requestUnique(buf: NetData, rspCmd: number, rspObject: CallbackObject, showTips: boolean = true, force:
boolean = false, channelId: number = 0): boolean {
let node = this._channels[channelId];
if (node) {
return node.requestUnique(buf, rspCmd, rspObject, showTips, force);
}
return false;
} // 调用Node关闭
public close(code ? : number, reason ? : string, channelId: number = 0) {
if (this._channels[channelId]) {
return this._channels[channelId].closeSocket(code, reason);
}
}
测试例子
接下来我们用一个简单的例子来演示一下网络框架的基本使用，首先我们需要拼一个简单的界面用于展示，3个按钮(连接、发送、关闭)，2个输入框(输入 url、输入要发送的内容)，一个文本框(显示从服务器接收到的数据)，如下图所示。
该例子连接的是 websocket 官方的 echo.websocket.org 地址，这个服务器会将我们发送给它的所有消息都原样返回给我们。
接下来，实现一个简单的 Component，这里新建了一个 NetExample.ts 文件，做的事情非常简单，在初始化的时候创建 NetNode、绑定默认接收回调，在接收回调中将服务器返回的文本显示到 msgLabel中。接着是连接、发送和关闭几个接口的实现：
// 不关键的代码省略
@ccclassexport
default class NetExample extends cc.Component {
@property(cc.Label)
textLabel: cc.Label = null;
@property(cc.Label)
urlLabel: cc.Label = null;
@property(cc.RichText)
msgLabel: cc.RichText = null;
private lineCount: number = 0;
onLoad() {
let Node = new NetNode();
Node.init(new WebSock(), new DefStringProtocol());
Node.setResponeHandler(0, (cmd: number, data: NetData) => {
if (this.lineCount > 5) {
let idx = this.msgLabel.string.search("\n");
this.msgLabel.string = this.msgLabel.string.substr(idx + 1);
}
this.msgLabel.string += `${data}\n`;
++this.lineCount;
});
NetManager.getInstance().setNetNode(Node);
}
onConnectClick() {
NetManager.getInstance().connect({
url: this.urlLabel.string
});
}
onSendClick() {
NetManager.getInstance().send(this.textLabel.string);
}
onDisconnectClick() {
NetManager.getInstance().close();
}
}
代码完成后，将其挂载到场景的 Canvas 节点下(其他节点也可以)，然后将场景中的 Label 和 RichText 拖拽到我们的 NetExample 的属性面板中：
运行效果如下所示：
小结
可以看到，Websocket 的使用很简单，我们在开发的过程中会碰到各种各样的需求和问题，要实现一个好的设计，快速地解决问题。
我们一方面需要对我们使用的技术本身有深入的理解，websocket 的底层协议传输是如何实现的？与 tcp、http 的区别在哪里？基于 websocket 能否使用 udp 进行传输呢？使用 websocket 发送数据是否需要自己对数据流进行分包(websocket 协议保证了包的完整)？数据的发送是否出现了发送缓存的堆积(查看 bufferedAmount)？
另外需要对我们的使用场景及需求本身的理解，对需求的理解越透彻，越能做出好的设计。哪些需求是项目相关的，哪些需求是通用的？通用的需求是必须的还是可选的？不同的变化我们应该封装成类或接口，使用多态的方式来实现呢？还是提供配置？回调绑定？事件通知？
我们需要设计出一个好的框架，来适用于下一个项目，并且在一个一个的项目中优化迭代，这样才能建立深厚的沉淀、提高效率。
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