浅谈WebSocket协议在Web领域的应用
Part 01、WebSocket是什么？
WebSocket是一种在Web应用程序中提供双向通信的协议。它允许服务器主动向客户端推送数据，而不是像传统的HTTP请求-响应模式一样，客户端必须发送请求才能获取数据。WebSocket 最早是在html5中引入的，建立在HTTP协议之上，使用握手阶段来升级连接，然后通过保持连接的状态来实现实时通信。
与传统的HTTP协议相比，WebSocket具有以下优势：
⑴ 增强实时性
服务器可以随时主动给客户端下发数据，相对于HTTP请求需要等待客户端发起请求服务端才能响应，延迟明显更少。和传统的轮询比较，WebSocket也可以在短时间内更有效率地传递数据；
⑵ 维持连接状态
在一些需要身份认证的场景下，HTTP请求可能需要在每个请求都携带状态信息（服务器不记录每次的请求和响应信息），而WebSocket一次连接建立后就会保持住会话状态，这就使其成为一种有状态的协议，后续通信时就可以省略部分状态信息；
⑶ 更灵活的扩展支持
开发者可以对WebSocket自定义二进制帧，相对HTTP，可以更轻松地处理二进制内容，此外开发者也自行扩展协议、实现部分自定义的子协议；
⑷ 更好的压缩效果
WebSocket在适当的扩展支持下，可以沿用之前内容的上下文，在传递类似的数据时，可以显著地提高压缩率。
Part 02、 Websocket报文
2.1 报文格式
- 第0个字节
0位（FIN）：0表示报文没有结束，1表示报文结束。
1-3位（RSV1、RSV2、RSV3）：保留字段，一般全部为0。也可用于扩展自己的协议。
4-7位（opcode）：报文类型。0 代表一个继续帧，1代表文本帧，2代表二进制帧，8 代表连接关闭，9 代表ping，10代表pong。
- 第1个字节
8位（MASK）：1表示需要掩码操作，0表示不需要。如果为1，数据帧的masking-key属性会存在一个值，接收方会利用这个值来进行解掩码操作，所有从客户端传输到服务器的数据帧的Mask都被设置为1。
9-15位（Payload len）：表示Payload data的长度。如果值是0~125，则真实长度就是前7位表示；如果值是126，则真实长度就是后16位（Extended payload length 126）；如果值是127，则真实长度就是后64位（Extended payload length 127）
2.2 报文样例
- ping帧，Opcode=9，Mask=1，Payload len=0，Masking-Key有内容
图片
- pong帧，Opcode=10，Mask=0，Payload len=0，Masking-Key为空
- 文本帧，Opcode=1，Mask=0，Payload len=84，Masking-Key为空
Part 03、 代码实现
接下来，一起动手编写WebSocket服务端和客户端，这里提供一个JAVA版的服务端demo和一个html版的客户端demo。
1、服务端demo是一个springboot项目
- 引用spring-boot-starter-websocket依赖
<!-- WebSocket -->
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-websocket</artifactId>
</dependency>
- session管理
public class WsSessionManager {
public static ConcurrentHashMap<String, WebSocketSession> SESSION_POOL = new ConcurrentHashMap<>();
public static void add(String key, WebSocketSession session) {
SESSION_POOL.put(key, session);
}
public static WebSocketSession remove(String key) {
return SESSION_POOL.remove(key);
}
public static void removeAndClose(String key) {
WebSocketSession session = remove(key);
if (session != null) {
try {
session.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static WebSocketSession get(String key) {
return SESSION_POOL.get(key);
}
}
- 消息处理
@Component
@Slf4j
public class MyWsHandler extends AbstractWebSocketHandler {
@Override
public void afterConnectionEstablished(WebSocketSession session) throws Exception {
log.info("建立ws连接，sessionId：{}", session.getId());
WsSessionManager.add(session.getId(), session);
}
@Override
protected void handleTextMessage(WebSocketSession session, TextMessage message) throws Exception {
// 获得客户端传来的消息
String payload = message.getPayload();
log.info("server 接收到消息, sessionId " + session.getId() + ", payload: " + payload);
session.sendMessage(new TextMessage("server 发送给的消息 " + payload + "，发送时间:" + LocalDateTime.now().toString()));
}
@Override
protected void handleBinaryMessage(WebSocketSession session, BinaryMessage message) {
log.info("发送二进制消息, sessionId " + session.getId());
}
@Override
public void handleTransportError(WebSocketSession session, Throwable exception) {
log.error("异常处理, sessionId " + session.getId());
- WebSocket配置
@Configuration
@EnableWebSocket
public class WsServerConfig implements WebSocketConfigurer {
@Autowired
private MyWsHandler myWsHandler;
@Override
public void registerWebSocketHandlers(WebSocketHandlerRegistry registry) {
registry.addHandler(myWsHandler, "myWs")
//允许跨域
.setAllowedOrigins("*");
}
}
2、客户端demo是一个html网页
<!doctype html>
<form name="publish">
<input type="text" name="message" maxlength="50"/>
<input type="submit" value="Send"/>
</form>
<div id="messages"></div>
<script>
let url='ws://127.0.0.1:8889/myWs';
let socket = new WebSocket(url);
// send message from the form
document.forms.publish.onsubmit = function() {
let outgoingMessage = this.message.value;
socket.send(outgoingMessage);
return false;
};
// handle incoming messages
socket.onmessage = function(event) {
let incomingMessage = event.data;
showMessage(incomingMessage);
};
socket.onclose = event => console.log(`Closed ${event.code}`);
// show message in div#messages
function showMessage(message) {
let messageElem = document.createElement('div');
messageElem.textContent = message;
document.getElementById('messages').prepend(messageElem);
Part 04、 结束语
WebSocket适用于服务器端需要快速向浏览器发送消息的场景，例如网页游戏、视频网站、在线文档、运维工具等。浏览器可以看做是一个瘦客户端，它不提供直接操作tcp长连接的编程接口，也无法简单地集成消息组件客户端。在使用浏览器作为客户端的场景下，WebSocket是最常用的服务器端主动推送方案。
当然，有很多种技术可以实现服务器端向客户端主动推送消息，WebSocket只是其中一种，其他常见的方案还有tcp长连接、消息组件（如mqtt、kafka）等，不过各有优缺点，这个可以在日后进一步学习。
