Web Socket 使用详解

在信息爆炸的时代，用户对网页的期待早已超越了静态内容的展示。实时聊天、股票报价、协同编辑等功能的实现，都离不开服务器与客户端之间持续、高效的数据交互。传统的HTTP请求-响应模型难以满足这种需求，而WebSocket的出现，为构建实时Web应用打开了新的大门。

一、WebSocket

简介：WebSocket 是基于 TCP 的一种新的网络协议。它实现了浏览器与服务器全双工通信——浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就可以创建持久性的连接， 并进行双向数据传输。

1.1 告别HTTP的束缚

传统的HTTP协议是一种单向的请求-响应模型，客户端发起请求，服务器返回响应。这种模式下，服务器无法主动向客户端推送数据，只能依赖客户端不断轮询，效率低下且实时性差。

WebSocket协议的诞生打破了这种僵局。它基于TCP协议，建立起全双工的通信通道，允许服务器和客户端随时随地互相发送消息，无需等待请求，极大地提升了实时性。

1.2 WebSocket的优势

• 实时双向通信: 摆脱HTTP单向请求的限制，实现真正的双向数据传输，服务器可以主动推送数据，客户端可以实时接收。

• 低延迟: 持久的连接减少了每次请求建立连接的开销，数据传输更加迅速，延迟更低，用户体验更佳。

• 高效率: WebSocket数据包头更小，相比HTTP减少了带宽消耗，提升了数据传输效率。

• 广泛支持: 主流浏览器和服务器技术都已支持WebSocket，为开发者提供了便利。

1.3 WebSocket的应用场景

• 实时聊天应用: 构建高效率、低延迟的聊天室、即时消息应用，例如微信、QQ等。

• 实时数据推送: 实时更新股票报价、新闻推送、系统通知等信息，例如金融交易平台、资讯网站等。

• 在线协作工具: 实现多人协同编辑文档、在线白板、多人游戏等功能，例如Google Docs、Figma等。

• 物联网应用: 实现设备实时监控、远程控制等功能，例如智能家居、工业自动化等领域。

二、WebSocket工作原理

2.1 建立连接：从HTTP到WebSocket的握手

1. 客户端发起请求: 客户端使用HTTP协议向服务器发起WebSocket连接请求，并在请求头中包含WebSocket相关信息，例如：

   GET /chat HTTP/1.1
   Host: example.com
   Upgrade: websocket  // 请求升级协议
   Connection: Upgrade 
   Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ== // 随机生成的key
   Sec-WebSocket-Version: 13  // WebSocket版本

2. 服务器响应确认: 服务器收到请求后，如果同意建立WebSocket连接，则返回一个HTTP响应，确认升级协议，例如：

   HTTP/1.1 101 Switching Protocols 
   Upgrade: websocket
   Connection: Upgrade
   Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kZZ7TdQihdUh-8= // 根据key计算出的值

   至此，WebSocket连接建立，客户端和服务器之间可以进行双向数据传输。

2.2 数据传输：帧结构解析

WebSocket使用帧（Frame）作为数据传输的基本单元，每个帧包含以下部分：

• FIN (1 bit): 标识是否是消息的最后一片段，1 表示是最后一片段，0 表示还有后续片段。

• RSV1, RSV2, RSV3 (各 1 bit): 保留位，供未来扩展使用。

• Opcode (4 bits): 表示消息类型，例如：

  • 0x01: 文本消息

  • 0x02: 二进制消息

  • 0x08: 关闭连接

  • 0x09: Ping消息

  • 0x0A: Pong消息

• Mask (1 bit): 标识Payload data是否进行了掩码处理，客户端发送的消息必须进行掩码处理，服务器发送的消息则不需要。

• Payload len (7 bits / 7+16 bits / 7+64 bits): 表示Payload data的长度。

• Masking-key (0/32 bits): 如果Mask位为1，则包含4字节的掩码密钥，用于对Payload data进行异或运算，进行掩码处理。

• Payload data: 实际传输的数据内容，可以是文本、二进制等。

2.3 连接关闭：挥手告别

当一方需要关闭WebSocket连接时，可以发送一个关闭帧，另一方收到后，应该回复一个关闭帧，然后关闭连接。

三、Spring Boot 中使用 WebSocket

Spring Boot 对 WebSocket 提供了良好的支持，使得开发者可以轻松构建实时应用。

3.1 引入依赖

在项目的 pom.xml 文件中添加 spring-boot-starter-websocket 依赖：

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-websocket</artifactId>
</dependency>

3.2 创建WebSocket处理器

使用 @ServerEndpoint 注解创建一个WebSocket处理器，用于处理WebSocket连接：

import org.springframework.stereotype.Component;
import javax.websocket.*;
import javax.websocket.server.ServerEndpoint;
import java.io.IOException;

@Component
@ServerEndpoint("/chat") // 指定WebSocket连接的路径
public class ChatEndpoint {

    // 建立连接时触发
    @OnOpen
    public void onOpen(Session session) {
        System.out.println("New connection established: " + session.getId());
    }

    // 收到客户端消息时触发
    @OnMessage
    public void onMessage(String message, Session session) throws IOException {
        System.out.println("Received message from " + session.getId() + ": " + message);
        // 向客户端发送消息
        session.getBasicRemote().sendText("Server received: " + message);
    }

    // 连接关闭时触发
    @OnClose
    public void onClose(Session session) {
        System.out.println("Connection closed: " + session.getId());
    }

    // 发生错误时触发
    @OnError
    public void one rror(Session session, Throwable throwable) {
        System.out.println("Error occurred: " + throwable.getMessage());
    }
}

• @ServerEndpoint("/chat"): 指定WebSocket连接的路径，客户端需要连接到该路径才能建立WebSocket连接。

• @OnOpen: 当WebSocket连接建立成功时触发，可以进行一些初始化操作，例如记录连接信息等。

• @OnMessage: 当接收到客户端发送的消息时触发，可以根据消息内容进行相应的处理，例如广播消息、保存数据等。

• @OnClose: 当WebSocket连接关闭时触发，可以进行一些清理操作，例如释放资源等。

• @OnError: 当WebSocket连接发生错误时触发，可以进行一些错误处理操作，例如记录日志、关闭连接等。

3.3 客户端代码示例 (JavaScript)

var websocket = new WebSocket("ws://localhost:8080/chat"); // 创建WebSocket对象，指定连接地址

websocket.onopen = function(event) {
    console.log("WebSocket connection opened"); // 连接成功回调
};

websocket.onmessage = function(event) {
    console.log("Server message: " + event.data); // 收到消息回调
};

websocket.onclose = function(event) {
    console.log("WebSocket connection closed"); // 连接关闭回调
};

function sendMessage() {
    var message = document.getElementById("messageInput").value;
    websocket.send(message); // 发送消息
}

四、对比

HTTP协议和WebSocket协议对比：

• HTTP是短连接

• WebSocket是长连接

• HTTP通信是单向的，基于请求响应模式

• WebSocket支持双向通信

• HTTP和WebSocket底层都是TCP连接

WebSocket缺点：

服务器长期维护长连接需要一定的成本 各个浏览器支持程度不一 WebSocket 是长连接，受网络限制比较大，需要处理好重连

结论：WebSocket并不能完全取代HTTP，它只适合在特定场景下使用（实时弹幕、网页聊天等）

五、总结

WebSocket作为HTML5规范的一部分，为构建实时Web应用提供了强大的解决方案。它克服了传统HTTP请求-响应模型的局限性，实现了服务器和客户端之间的双向通信。Spring Boot对WebSocket的良好支持，使得开发者可以更加便捷地构建高性能、实时交互的Web应用。

以上就是关于WebSocket的使用详解，感谢各位看官的观看，下期见，谢谢~