WebSocket

简介

1.1 什么是WebSocket

WebSocket 是一种协议，用于在Web应用程序和服务器之间建立 实时、双向、持久化 的通信连接。它通过一个单一的 TCP连接提供了持久化连接，这使得Web应用程序可以更加实时地传递数据。WebSocket 协议最初是由W3C开发，并于2011年成为标准。

补充说明：

WebSocket 是通过 HTTP 协议的升级机制 来建立的，但连接一旦建立，就脱离了 HTTP 协议，成为纯粹的 TCP 连接，这种持久化连接减少了因不断建立和关闭连接所带来的延迟。

1.2 WebSocket的优劣势

• 优势：
  • **实时性：**由于WebSocket的持久化连接，它可以实现实时的数据传输，避免了Web应用程序需要不断地发起请求以获取最新数据的情况。特别适合实时更新的应用场景，如聊天应用、股票行情和在线游戏等。
  • **双向通信：**WebSocket协议支持双向通信，这意味着服务器可以主动向客户端发起数据，而不需要客户端发送请求。这种双向通信是全双工的，允许服务器和客户端在任意时间互相发送消息。
  • **减少网络负载：**由于WebSocket的持久化连接，它可以减少HTTP请求的次数，从而减少网络的负载。 WebSocket 仅在最初建立连接时会有一次握手请求，之后的数据传输都通过该连接完成，避免了频繁的请求开销。
• 劣势：
  • **需要浏览器和服务器都支持：**WebSocket是一种相对新的技术，需要浏览器和服务器都支持。一些旧的浏览器和服务器可能不支持WebSocket。【目前的主流浏览器和服务器都已支持】
  • **需要额外的开销：**WebSocket需要在服务器上维护长时间的连接，对于每个客户端都要保留一定的资源，则需要额外的开销，包括内存和CPU。特别是对于大规模连接的场景，可能需要较高的硬件资源支持。
  • **安全问题：**由于WebSocket允许服务器主动向客户端发送数据，可能会存在安全问题。服务器必须保证只向合法的客户端发送数据。因为WebSocket 在建立连接后不再通过 HTTP 头部进行每次身份验证，因此服务器在实现中需要确保连接的安全性，例如通过加密连接（wss://）以及身份验证、IP 过滤等方法。

WebSocket的基本概念

2.1 WebSocket的协议

WebSocket 是一种基于TCP的协议，用于在客户端和服务端之间建立持久连接，并且可以在这个连接上实时地交换数据。WebSocket协议有自己的握手过程，用于建立连接，也有自己的数据传输格式。

• 握手过程：WebSocket的连接通过一个HTTP升级请求启动。客户端发送带有 Upgrade 头的HTTP请求，服务器接收到请求后返回状态码 101 Switching Protocols 来确定协议升级成功并切换到 WebSocket 协议。握手过程中，客户端和服务器会协商协议版本、支持的子协议、拓展选项等。一旦握手完成，连接将保持打开状态，不再使用 HTTP 请求-响应模式。
• **数据帧结构：**WebSocket定义了独特的数据帧结构，用于更高效地携带数据和减少通信开销。数据帧中包含标记位，用于表示数据是否分片、数据的类型（文本或二进制）等。数据帧的结构能够适应大数据的流式传输需求。
• **双向通信：**WebSocket协议使用全双工通信，支持客户端和服务器在任意时间向对方发送数据，而不需要等待对方的请求。这种双向通信允许实时数据的推送和快速响应，是WebSocket协议的一大优势。
• 支持二进制和文本数据：WebSocket支持文本和二进制数据的传输，可以根据实际应用需求在两者之间自由转换。这使得WebSocket能够适应更多场景。

总之，WebSocket协议是一种可靠、高效、双向且持久的通信协议，特别适用于需要实时通信的Web应用，如在线游戏、股票行情、实时聊天和在线客服系统等场景。

2.2 WebSocket 的生命周期

WebSocket 生命周期描述了 WebSocket 连接从创建到关闭的过程，包括以下四个主要阶段：

• 连接建立阶段（Connection Establishment）：客户端发送 WebSocket 握手请求，服务器接收请求并发送握手响应。如果握手成功，则建立 WebSocket 连接，并切换到 TCP 长连接状态。此过程通过 Upgrade 请求头实现 HTTP 到 WebSocket 的协议转换。

• 连接开放阶段（Connection Open）：握手完成后，WebSocket 连接进入开放状态。此时，客户端和服务器之间的连接已建立并可以互相发送数据。进入开放状态时，会触发 onopen 事件（通常在客户端的 WebSocket 实例上触发），以指示连接已准备好进行通信。

• 连接关闭阶段（Connection Closing）：连接关闭可以由客户端或服务器发起，通过发送一个关闭帧（Close Frame）来通知对方准备关闭连接。关闭帧中可包含关闭原因的代码和描述，提供了关闭连接的上下文。

• 连接关闭完成阶段（Connection Closed）：当关闭过程完成时，WebSocket 连接彻底关闭，客户端和服务器之间的交互终止。在客户端上会触发 onclose 事件，通常用于进行清理操作和资源释放。

补充说明：

WebSocket 连接可能在任何时候意外关闭，例如因网络问题、服务器崩溃或超时而断开。因此，客户端和服务器需要监听 onclose 和 onerror 事件，并在连接断开时执行相应的恢复或重连逻辑，以保证应用的可靠性和稳定性。

HTTP和WebSocket的生命周期图：

​

WebSocket和HTTP协议的主要区别：

• WebSocket通过持久化的连接实现了双向实时通信
• HTTP是基于请求/响应的模型，适用于较少的交互

2.3 WebSocket的消息格式

1. 消息头：
   • **FIN：**一个 1 位的标志位，指示消息是否是完善的。值为 1 表示这是一条完整的消息，值为 0 表示该消息只是分段消息的一部分。
   • **RSV1、RSV2、RSV3：**这三个位目前未使用，通常为0，它们预留用于将来的拓展。
   • **Opcode：**表示消息的类型，常见的值有：
     • 0x1：表示文本消息（UTF-8编码）
     • 0x2：表示二进制消息（图片或者文件数据等）
     • 0x8：表示连接关闭消息
     • 0x9：表示Ping消息
     • 0xA：表示Pong消息
   • Mask：一个 1 位的标志位，指示消息是否已经经过掩码处理。客户端发送的消息总是需要掩码，而服务器接收消息时不需要
   • **Payload length：**表示消息体的长度。这个字段会根据消息的长度变化，可能是7位、16位或64位长度字段，具体取决于消息体的大小
   • **Masking key：**当 Mask为 1 时，这个 32 位的字段将用于对消息体进行掩码加密。服务器使用该密钥来解码消息体，仅在消息需要解密时出现
2. 消息体：
   • 这部分包含了实际的传输数据，可以是文本（例如UTF-8编码的字符串）或二进制数据（如图像、视频或文件）

2.4 WebScoket的API

WebSocket API 是用于在 Web应用程序中创建和管理 WebSocket 连接的接口集合，WebSocket API 由浏览器原生支持，无需使用额外的 JavaScript库或框架，可以直接在 JavaScript 中使用。以下是一些常用的 WebSocket API：

• **WebSocket 构造函数：**WebSocket构造函数用于创建 WebSocket 对象。它接受一个 URL 作为参数，表示要连接的 WebSocket 服务器地址。通常，WebSocket 协议的 URL 使用 ws://（非加密）或 wss://（加密）开头，类似于 HTTP 协议的 URL。

let ws = new WebSocket('ws://example.com/ws');

• **WebSocket.send( )：**WebSocket.send( ) 方法用于向服务器发送数据。它接受一个参数，表示要发送的数据。数据可以是字符串、Blob对象、ArrayBuffer对象。

ws.send('Hello, server!');

• **WebSocket.onopen：**WebSocket.onopen事件在WebSocket连接成功建立时触发。

ws.onopen = function() {
  console.log('WebSocket 连接已经建立。');
};

• **WebSocket.onmessage：**WebSocket.onmessage事件在接收到服务器发送的消息时触发。它的 event对象包含一个data属性，表示接收到的数据。

ws.onmessage = function(event) {
  console.log('收到服务器消息：', event.data);
};

• **WebSocket.onerror：**WebSocket.onerror事件在WebSocket连接出现错误时触发。通过这个事件可以处理连接错误。

ws.onerror = function(event) {
  console.error('WebSocket 连接出现错误：', event);
};

• **WebSocket.onclose：**WebSocket.onclose事件在web Socket连接被关闭时触发。可以用来处理连接关闭后的清理工作。

ws.onclose = function() {
  console.log('WebSocket 连接已经关闭。');
};

Java中使用WebSocket

Maven依赖：

<dependency>
    <groupId>javax.websocket</groupId>
    <artifactId>javax.websocket-api</artifactId>
    <version>1.1</version>
</dependency>

3.1 使用Java WebSocket API 编写 WebSocket 服务端

示例代码：

import javax.websocket.*;
import javax.websocket.server.ServerEndpoint;
import java.io.IOException;
 
@ServerEndpoint("/echo") //定义了一个名为"echo"的WebSocket端点，它会监听客户端发来的消息，并将处理后的消息返回给客户端
public class EchoServer {
 
    @OnOpen
    public void onOpen(Session session) {
        System.out.println("WebSocket 连接已经建立。");
    }
 
    @OnMessage
    public void onMessage(String message, Session session) throws IOException {
        System.out.println("收到客户端消息：" + message);
        session.getBasicRemote().sendText("服务器收到消息：" + message);
    }
 
    @OnClose
    public void onClose() {
        System.out.println("WebSocket 连接已经关闭。");
    }
 
    @OnError
    public void onError(Throwable t) {
        System.out.println("WebSocket 连接出现错误：" + t.getMessage());
    }
}

这个示例代码定义了一个名为“echo”的WebSocket端点，它会监听客户端发来的消息，并将处理后的消息返回给客户端。具体来说，它使用了@ServerEndpoint注解来指定WebSocket端点的URL，使用 @OnOpen 、@OnMessage、@OnClose 和 @OnError 注解来定义 WebSocket 事件处理器。

要使用这个 WebSocket 服务端，我们需要部署它到一个支持 WebSocket 的 Web 容器中。例如，我们可以使用 Tomcat 8 或以上版本来运行它。部署完成后，我们可以使用任何支持 WebSocket 的客户端来连接这个服务端，发送消息并接收服务器的响应。【这个WebSocket 客户端通常需要我们自己实现】

HTML/JavaScript 的 WebSocket 客户端代码示例：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>WebSocket Demo</title>
    <script>
        var ws = new WebSocket('ws://localhost:8080/echo');
        ws.onopen = function() {
            console.log('WebSocket 连接已经建立。');
            ws.send('Hello, server!');
        };
        ws.onmessage = function(event) {
            console.log('收到服务器消息：', event.data);
        };
        ws.onerror = function(event) {
            console.error('WebSocket 连接出现错误：', event);
        };
        ws.onclose = function() {
            console.log('WebSocket 连接已经关闭。');
        };
    </script>
</head>
<body>
    <h1>WebSocket Demo</h1>
</body>
</html>

这个客户端使用了 WebSocket 构造函数来创建一个 WebSocket 对象，并指定连接的URL为我们之前部署的服务端的URL。它使用了 WebSocket 的事件处理器来处理 WebSocket 事件，例如当 WebSocket 连接成功建立时，他会像服务器发送一条消息，并在收到服务器的响应时打印出消息的内容。

3.2 使用 Java WebSocket API 编写 WebSocket 客户端

示例代码：

import javax.websocket.*;
import java.io.IOException;
import java.net.URI;
 
@ClientEndpoint
public class EchoClient {
 
    private Session session; // 用于保存与 WebSocket 服务器的连接会话,可如果需要保存多个会话可以使用Map集合
 
    @OnOpen
    public void onOpen(Session session) {
        System.out.println("WebSocket 连接已经建立。");
        this.session = session;
    }
 
    @OnMessage
    public void onMessage(String message, Session session) {
        System.out.println("收到服务器消息：" + message);
    }
 
    @OnClose
    public void onClose() {
        System.out.println("WebSocket 连接已经关闭。");
    }
 
    @OnError
    public void onError(Throwable t) {
        System.out.println("WebSocket 连接出现错误：" + t.getMessage());
    }
 
    // 连接到 WebSocket 服务器
    public void connect(String url) throws Exception {
        WebSocketContainer container = ContainerProvider.getWebSocketContainer();  // 获取 WebSocket 容器实例
        container.connectToServer(this, new URI(url));  // 使用 WebSocket 容器连接到指定的服务器端点
    }

    // 发送消息到 WebSocket 服务器
    public void send(String message) throws IOException {
        session.getBasicRemote().sendText(message);  // 通过会话的基本远程接口发送文本消息
    }

    // 关闭与 WebSocket 服务器的连接
    public void close() throws IOException {
        session.close();  // 关闭 WebSocket 会话
    }
}

3.3 使用Spring Boot编写WebSocket服务端

Maven依赖

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-websocket</artifactId>
</dependency>
<!--如果仍然遇到 javax.websocket.* 包找不到的问题，可以添加 javax.websocket-api 依赖-->
<dependency>
    <groupId>javax.websocket</groupId>
    <artifactId>javax.websocket-api</artifactId>
    <version>1.1</version>
</dependency>

配置WebSocket

应用程序中，需要配置WebSocket。创建一个新的Java类，并添加注解@ServerEndpoint("/websocket")，这将指定WebSocket服务端的端点为/websocket，也可以自行修改。

在此类中，需要实现几个方法：

/**
 * WebSocket服务
 */
@Component
@ServerEndpoint("/ws/{sid}")
public class WebSocketServer {

    //存放会话对象
    private static Map<String, Session> sessionMap = new ConcurrentHashMap<>();

    /**
     * 连接建立成功调用的方法
     */
    @OnOpen
    public void onOpen(Session session, @PathParam("sid") String sid) {
        System.out.println("客户端：" + sid + "建立连接");
        sessionMap.put(sid, session);
    }

    /**
     * 收到客户端消息后调用的方法
     * @param message 客户端发送过来的消息
     */
    @OnMessage
    public void onMessage(String message, @PathParam("sid") String sid) {
        System.out.println("收到来自客户端：" + sid + "的信息:" + message);
    }

    /**
     * 连接关闭调用的方法
     * @param sid
     */
    @OnClose
    public void onClose(@PathParam("sid") String sid) {
        System.out.println("连接断开:" + sid);
        sessionMap.remove(sid);
    }

    /**
     * 群发
     * @param message
     */
    public void sendToAllClient(String message) {
        Collection<Session> sessions = sessionMap.values();
        for (Session session : sessions) {
            try {
                //服务器向客户端发送消息
                session.getBasicRemote().sendText(message);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

配置WebSocket支持

最后，需要配置Spring Boot以支持WebSocket。

/**
 * WebSocket 配置类，用于注册 WebSocket 服务器端点
 */
@Configuration
public class WebSocketConfiguration {

    @Bean
    public ServerEndpointExporter serverEndpointExporter() {
        return new ServerEndpointExporter();  // 自动扫描并注册 @ServerEndpoint 注解的类
    }

}

WebSocket的消息格式

4.1 文本消息和二进制消息

文本消息是普通的Unicode文本字符串。当WebSocket连接建立时，客户端和服务器可以通过发送文本消息来互相交换信息。服务器可以使用Session对象的getBasicRemote()方法来向客户端发送文本消息，客户端可以使用WebSocket的send()方法来向服务器发送文本消息。

• getBasicRemote()具体用法：

  • sendText(String message): 发送一个文本消息给客户端。

  • sendBinary(ByteBuffer data): 发送二进制数据到客户端。

  • flush(): 刷新缓冲区，确保数据发送。

  • close(): 关闭 WebSocket 连接

下面是向客户端发送文本消息的示例代码：

session.getBasicRemote().sendText("Hello, client!");

二进制消息可以是任意类型的数据，包括图像、音频、视频等。要向客户端发送二进制消息，服务器可以使用Session对象的getBasicRemote()方法，将消息作为ByteBuffer对象发送。客户端可以使用WebSocket的send()方法来向服务器发送二进制消息。

下面是向客户端发送二进制消息的示例代码：

byte[] data = // binary data
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(data); // 将字节数组包装成 ByteBuffer
session.getBasicRemote().sendBinary(buffer);

请注意，尽管文本消息和二进制消息在格式上有所不同，但它们都是通过WebSocket发送的消息类型，因此客户端和服务器都需要能够处理这两种类型的消息。

4.2 Ping和Pong消息

WebSocket还支持Ping和Pong消息类型，用于检测WebSocket连接是否仍然处于活动状态。Ping消息由客户端发送到服务器，Pong消息由服务器发送回客户端作为响应。如果客户端在一段时间内没有收到Pong消息，则它可以假定WebSocket连接已断开，并关闭连接。

要发送Ping消息，请使用Session对象的getBasicRemote()方法，并将Ping消息作为ByteBuffer对象发送。客户端可以使用WebSocket的sendPing()方法来向服务器发送Ping消息。

下面是向客户端发送Ping消息的示例代码：

ByteBuffer pingMessage = ByteBuffer.wrap(new byte[] { 8, 9, 10 });
session.getBasicRemote().sendPing(pingMessage);

要接收Pong消息，请在您的WebSocket处理程序中实现onPong()方法。当您的WebSocket服务器接收到Pong消息时，它将自动调用此方法，并将接收到的Pong消息作为ByteBuffer对象传递给它。

下面是实现onPong()方法的示例代码：

@OnMessage
public void onPong(Session session, ByteBuffer pongMessage) {
    System.out.println("Received Pong message: " + pongMessage);
}

请注意，Ping和Pong消息通常用于WebSocket连接的健康检查。如果您希望在WebSocket连接中使用此功能，则应定期发送Ping消息并等待Pong消息的响应。

4.3 关闭消息

WebSocket还支持关闭消息类型，用于关闭WebSocket连接。关闭消息可以由客户端或服务器发起，并且可以携带一个可选的状态码和关闭原因。当WebSocket连接关闭时，客户端和服务器都应该发送一个关闭消息以结束连接。

要发送关闭消息，请使用Session对象的getBasicRemote()方法，并调用它的sendClose()方法。关闭消息可以携带一个可选的状态码和关闭原因。如果您不希望发送状态码或关闭原因，则可以将它们设置为0和null。

下面是向客户端发送关闭消息的示例代码：

session.close(new CloseReason(CloseReason.CloseCodes.NORMAL_CLOSURE, "Closing from client."));

要处理接收到的关闭消息，请在您的WebSocket处理程序中实现onClose()方法。当您的WebSocket服务器接收到关闭消息时，它将自动调用此方法，并将接收到的状态码和关闭原因传递给它。

下面是实现onClose()方法的示例代码：

@OnClose
public void onClose(Session session, CloseReason closeReason) {
    System.out.println("Connection closed: " + closeReason.getCloseCode() + " - " 
                       + closeReason.getReasonPhrase());
}

请注意，客户端和服务器都应该发送关闭消息以结束WebSocket连接。如果只有一方发送了关闭消息，则另一方可能无法正确地关闭连接，并且可能需要等待超时才能释放资源。建议客户端和服务器在关闭连接时都发送关闭消息，以确保连接正确地关闭。

WebSocket的性能

5.1 与传统的HTTP请求/响应模型比较

• 双向通信性能更好： WebSocket协议使用单一的TCP连接，允许客户端和服务器在同一个连接上进行双向通信。这种实时的双向通信可以更快地传输数据，而不需要建立多个HTTP请求/响应连接。
• 更小的网络流量： 与HTTP相比，WebSocket协议需要更少的网络流量来维护连接，因为它不需要在每个请求/响应交换中发送头部信息。
• 更低的延迟： WebSocket协议允许服务器主动向客户端推送消息，而不需要客户端先发送请求。这种实时通信可以减少响应延迟，并提高应用程序的性能。
• 更好的服务器资源管理： 由于WebSocket连接可以保持活动状态，服务器可以更好地管理客户端连接，减少服务器开销和处理时间。

WebSocket协议的性能比传统的HTTP请求/响应模型更好，特别是在实时通信和低延迟方面。WebSocket协议适用于需要实时通信和实时数据更新的应用程序，如在线聊天、多人游戏、实时监控等。

5.2 优化WebSocket的性能

• 减少消息大小： WebSocket 传输的数据大小对性能有很大影响。尽量减少消息的大小，可以降低网络带宽和服务器负载。例如，可以使用二进制传输协议来代替文本传输，或使用压缩算法对消息进行压缩。
• 使用CDN加速： 使用 CDN（内容分发网络）可以将静态资源缓存到离用户更近的节点上，提高传输速度和性能。CDN 可以缓存 Websocket 的初始握手请求，避免不必要的网络延迟。
• 使用负载均衡： WebSocket 服务可以使用负载均衡来分配并平衡多个服务器的负载。负载均衡可以避免单个服务器被过载，并提高整个服务的可伸缩性。
• 优化服务端代码： WebSocket 服务端代码的性能也是关键因素。使用高效的框架和算法，避免使用过多的内存和 CPU 资源，可以提高服务端的性能和响应速度。
• 避免网络阻塞： WebSocket 的性能也会受到网络阻塞的影响。当有太多的连接同时请求数据时，服务器的性能会下降。使用合适的线程池和异步 IO 操作可以避免网络阻塞，提高 WebSocket 服务的并发性能。

WebSocket的扩展应用和未来发展方向

• 更加完善的标准规范： WebSocket 标准规范还有很多可以优化的地方，未来可能会继续完善 WebSocket 的标准规范，以适应更加复杂的应用场景。
• 更加安全的通信方式： 由于 WebSocket 的开放性，使得它可能会受到一些安全威胁，未来可能会通过加密、身份验证等方式来增强 WebSocket 的安全性。
• 更好的兼容性： WebSocket 协议需要在 HTTP 协议的基础上建立连接，因此可能会遇到兼容性问题，未来可能会通过技术手段来解决这些问题。
• 更好的性能和可伸缩性： WebSocket 协议的性能和可伸缩性对于复杂的应用场景非常关键，未来可能会通过技术手段来进一步提高 WebSocket 的性能和可伸缩性。