WebSocket
WebSocket
- 一、什么是WebSocket
- 二、发展
-
- http存在的问题
- Ajax轮询
- 长轮询
- WebSocket的改进
- 三、特点
- 四、连接建立过程
-
- 选择协议
- 3次握手
- 协议转换
- 连接订阅
- 消息推送与确认
- 五、实现
-
- 基于原生注解实现
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- js部分
- Java部分
-
- 1.pom引入依赖
- 2.配置websocket的配置项，WebSocketConfig配置类
- 3.websocket代码
一、什么是WebSocket
WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议。
WebSocket使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。
在WebSocket API中，浏览器和服务器通过握手机制，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。
注：什么是单工、半双工、全双工通信？信息只能单向传送为单工；信息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工；信息能够同时双向传送则称为全双工。
二、发展
http存在的问题
- http是一种无状态协议，每当一次会话完成后，服务端都不知道下一次的客户端是谁，需要每次知道对方是谁，才进行相应的响应，因此本身对于实时通讯就是一种极大的障碍
- http协议采用一次请求，一次响应，每次请求和响应就携带有大量的header头，对于实时通讯来说，解析请求头也是需要一定的时间，因此，效率也更低下
- 最重要的是，需要客户端主动发，服务端被动发，也就是一次请求，一次响应，不能实现主动发送
Ajax轮询
基于http的特性，简单点说，就是规定每隔一段时间就由客户端发起一次请求，查询有没有新消息，如果有，就返回，如果没有等待相同的时间间隔再次询问
优点是解决了http不能实时更新的弊端，因为这个时间很短，发起请求即处理请求返回响应，把这个过程放大n倍，本质上还是request = response
例子：假设张三今天有个快递快到了，但是张三忍耐不住，就每隔十分钟给快递员或者快递站打电话，询问快递到了没，每次快递员就说还没到，等到下午张三的快递到了，但是，快递员不知道哪个电话是张三的，（可不是只有张三打电话，还有李四，王五），所以只能等张三打电话，才能通知他，你的快递到了
从例子上来看有两个问题：
- 假如说，张三打电话的时间间隔为10分钟，当他收到快递前最后一次打电话，快递员说没到，他刚挂掉电话，快递就到了，那么等下一次时间到了，张三打电话知道快递到了，那么这样的通讯算不算实时通讯？很显然，不算，中间有十分钟的时间差，还不算给快递员打电话的等待时间（抽象的解释：每次request的请求时间间隔等同于十分钟，请求解析相当于等待）
- 假如说张三所在的小区每天要收很多快递，每个人都采取主动给快递员打电话的方式，那么快递员需要以多快的速度接到，其他人打电话占线也是问题（抽象解释：请求过多，服务端响应也会变慢）
总的来看，Ajax轮询存在的问题：
- 推送延迟。
- 服务端压力。配置一般不会发生变化，频繁的轮询会给服务端造成很大的压力。
- 推送延迟和服务端压力无法中和。降低轮询的间隔，延迟降低，压力增加；增加轮询的间隔，压力降低，延迟增高
长轮询
基于http的特性，简单点说，就是客户端发起长轮询，如果服务端的数据没有发生变更，会保持住请求，直到服务端的数据发生变化，或者等待一定时间超时才会返回。返回后，客户端又会立即再次发起下一次长轮询
优点是解决了http不能实时更新的弊端，因为这个时间很短，发起请求即处理请求返回响应，实现了“伪·长连接”
例子：张三取快递，张三今天一定要取到快递，他就一直站在快递点，等待快递一到，立马取走
从例子上来看有个问题：
- 假如有好多人一起在快递站等快递，那么这个地方是否足够大，（抽象解释：需要有很高的并发，同时有很多请求等待在这里）
总的来看，长轮询存在的问题
-
推送延迟。服务端数据发生变更后，长轮询结束，立刻返回响应给客户端。
-
服务端压力。长轮询的间隔期一般很长，例如 30s、60s，并且服务端保持住连接会消耗太多服务端资源。
WebSocket的改进
一旦WebSocket连接建立后，后续数据都以帧序列的形式传输。在客户端断开WebSocket连接或Server端中断连接前，不需要客户端和服务端重新发起连接请求。在海量并发及客户端与服务器交互负载流量大的情况下，极大的节省了网络带宽资源的消耗，有明显的性能优势，且客户端发送和接受消息是在同一个持久连接上发起，实现了“真·长连接”，实时性优势明显。
三、特点
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较少的控制开销。在连接创建后，服务器和客户端之间交换数据时，用于协议控制的数据包头部相对较小。在不包含扩展的情况下，对于服务器到客户端的内容，此头部大小只有2至10字节（和数据包长度有关）；对于客户端到服务器的内容，此头部还需要加上额外的4字节的掩码。相对于HTTP请求每次都要携带完整的头部，此项开销显著减少了。
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更强的实时性。由于协议是全双工的，所以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；即使是和Comet等类似的长轮询比较，其也能在短时间内更多次地传递数据。
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保持连接状态。与HTTP不同的是，Websocket需要先创建连接，这就使得其成为一种有状态的协议，之后通信时可以省略部分状态信息。而HTTP请求可能需要在每个请求都携带状态信息（如身份认证等）。
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更好的二进制支持。Websocket定义了二进制帧，相对HTTP，可以更轻松地处理二进制内容。
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可以支持扩展。Websocket定义了扩展，用户可以扩展协议、实现部分自定义的子协议。如部分浏览器支持压缩等。
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更好的压缩效果。相对于HTTP压缩，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。
四、连接建立过程
选择协议
发送选择协议的请求，客户端向服务端发送如下请求，用于咨询使用哪类协议建立连接。
请求响应如下
通过响应结果，发现，该连接可使用websocket协议进行建立。
3次握手
通过响应结果，客户端开始基于websocket协议建立连接。
1 客户端向服务端发送连接请求包
2 服务端接收客户端报文
服务端接收客户端发送的报文，通过SYN=1，确认客户端需要建立连接。于是向客户端发送SYN=1，ACK=1的报文。同时将Acknowledgement number序号加1。
3 客户端接收服务端发送的报文，并确认
客户端接收服务发送的报文，检查序列号是否正确（第一次发送的SYN报文的序号 + 1），以及ACK位是否为1。若正确，则发送一个确认包。
协议转换
接着，客户端向服务端发送一个特殊的HTTP请求。
响应如下所示
101响应码，表明服务器了解客户端请求，开始切换Upgrade请求头中定义的协议。
Websocket协议本质上，是一个基于TCP的协议，连接前，完成3次握手后，客户端向服务端发起一个特殊http请求，server端解析后，应答给客户端，至此一个websocket连接完成建立。
连接订阅
客户端通过websocket协议，项服务端发送一个CONNECT命令帧
服务端接收后，返回一个CONNECTED命令帧
客户端向服务端发送SUBSCRIBE命令帧
在此命令帧中，客户端提供需要订阅的目的地地址。
消息推送与确认
服务端推送消息
服务端，通过MESSAGE命令帧，向客户端推送数据。
消息内容如下所示
客户端确认收到消息
客户端收到消息后，向服务端发送一个ack消息，用于确认该消息已收到。
五、实现
基于原生注解实现
js部分
DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>websockettitle>
head>
<body>
Welcome<br/>
<input id="text" type="text">
<button onclick="send()">发送消息button>
<hr/>
<button onclick="closeWebSocket()">关闭WebSocket连接button>
<hr/>
<div id="message">div>
body>
<script>
var id = "20220616102800";
var websocket = null;
if (window.WebSocket) {
websocket = new WebSocket("ws://localhost:8000/webSocketFirst/" + id);
} else {
alert('当前浏览器 Not support websocket')
}
// 连接成功建立的回调方法
websocket.onopen = function () {
setMessageInnerHTML("WebSocket连接成功");
};
// 连接关闭的回调方法
websocket.onclose = function () {
setMessageInnerHTML("WebSocket连接关闭");
};
// 接收到消息的回调方法
websocket.onmessage = function (event) {
setMessageInnerHTML(event.data);
};
// 连接发生错误的回调方法
websocket.onerror = function () {
setMessageInnerHTML("WebSocket连接发生错误");
};
// 监听窗口关闭事件，当窗口关闭时，主动去关闭websocket连接，防止连接还没断开就关闭窗口，server端会抛异常。
window.onbeforeunload = function () {
closeWebSocket();
};
//将消息显示在网页上
function setMessageInnerHTML(innerHTML) {
document.getElementById('message').innerHTML += innerHTML + '
';
}
//关闭WebSocket连接
function closeWebSocket() {
websocket.close();
}
//发送消息
function send() {
var message = '{"to": "' + id + '", "msg": "' + document.getElementById('text').value + '"}';
websocket.send(message);
}
script>
html>
Java部分
1.pom引入依赖
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-websocket</artifactId>
</dependency>
2.配置websocket的配置项，WebSocketConfig配置类
package com.example.springbootdemo.config;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.web.socket.server.standard.ServerEndpointExporter;
/**
* WebSocketConfig
* 通过这个配置 spring boot 才能去扫描后面的关于 websocket 的注解
*
* @author: wcx
* @date: 2022年06月15日 19:17
*/
@Configuration
public class WebSocketConfig {
/**
* 注入ServerEndpointExporter，这个bean会自动注册使用了@ServerEndpoint注解声明的Websocket endpoint
*/
@Bean
public ServerEndpointExporter serverEndpointExporter() {
return new ServerEndpointExporter();
}
}
3.websocket代码
package com.example.springbootdemo.config;
import com.alibaba.fastjson.JSONObject;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.stereotype.Component;
import javax.websocket.*;
import javax.websocket.server.PathParam;
import javax.websocket.server.ServerEndpoint;
import java.io.IOException;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
/**
* WebSocket
*
* @author: wcx
* @date: 2022年06月15日 19:24
*/
@ServerEndpoint("/webSocketFirst/{id}")
@Component
public class WebSocketFirst {
/**
* @ServerEndpoint 注解是一个类层次的注解，它的功能主要是将目前的类定义成一个websocket服务器端,
* 注解的值将被用于监听用户连接的终端访问URL地址,客户端可以通过这个URL来连接到WebSocket服务器端
* {}中的数据代表一个参数，多个参数用/分隔
*/
/**
* 静态变量，用来记录当前在线连接数。应该把它设计成线程安全的。
*/
private static int onlineCount = 0;
/**
* CopyOnWriteArraySet它是线程安全的无序的集合，可以将它理解成线程安全的HashSet
* 用来存放每个客户端对应的MyWebSocket对象
* 若要实现服务端与单一客户端通信的话，可以使用Map来存放，其中Key可以为用户标识
*/
// private static CopyOnWriteArraySet webSocketSet = new CopyOnWriteArraySet();
/**
* ConcurrentHashMap 的优势在于兼顾性能和线程安全，
* 一个线程进行写操作时，它会锁住一小部分，其他部分的读写不受影响，其他线程访问没上锁的地方不会被阻塞。
* 用来存放每个客户端对应的MyWebSocket对象
*/
private static Map<String, WebSocketFirst> clients = new ConcurrentHashMap<String, WebSocketFirst>();
/**
* 与某个客户端的连接会话，需要通过它来给客户端发送数据
*/
private Session session;
/**
* 用户标识
*/
private String id;
private final static Logger logger = LoggerFactory.getLogger(WebSocketFirst.class);
/**
* 连接建立成功调用的方法
*
* @param id 用户标识
* @param session session为与某个客户端的连接会话，需要通过它来给客户端发送数据
* @throws IOException
*/
@OnOpen
public void onOpen(@PathParam("id") String id, Session session) throws IOException {
this.id = id;
this.session = session;
// 在线数 +1
addOnlineCount();
// 放入map中
clients.put(id, this);
logger.info("有新连接加入！当前在线人数为" + getOnlineCount());
}
/**
* 连接关闭调用的方法
*
* @throws IOException
*/
@OnClose
public void onClose() throws IOException {
// 从map中移除
clients.remove(id);
// 在线数 -1
subOnlineCount();
logger.info("有一连接关闭！当前在线人数为" + getOnlineCount());
}
/**
* 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
* @throws IOException
*/
@OnMessage
public void onMessage(String message) throws IOException {
JSONObject jsonTo = JSONObject.parseObject(message);
logger.info(jsonTo.getString("to") + ":" + jsonTo.getString("msg"));
if (!"all".equals(jsonTo.getString("to").toLowerCase())) {
sendMessageTo(jsonTo.getString("msg"), jsonTo.getString("to"));
} else {
sendMessageAll(jsonTo.getString("msg"));
}
}
/**
* 发生错误时调用
*
* @param session
* @param error
*/
@OnError
public void onError(Session session, Throwable error) {
logger.info("发生错误");
error.printStackTrace();
}
/**
* 单个发送
*
* @param message 要发送的消息
* @param To 要发送给谁
* @throws IOException
*/
public void sendMessageTo(String message, String To) throws IOException {
/**
* getAsyncRemote()和getBasicRemote()区别
* getAsyncRemote是非阻塞式的，getBasicRemote是阻塞式的,异步与同步的区别
*/
// session.getBasicRemote().sendText(message);
// session.getAsyncRemote().sendText(message);
for (WebSocketFirst item : clients.values()) {
if (item.id.equals(To)) {
item.session.getAsyncRemote().sendText(message);
}
}
}
/**
* 群发
*
* @param message 要发送的消息
* @throws IOException
*/
public void sendMessageAll(String message) throws IOException {
for (WebSocketFirst item : clients.values()) {
item.session.getAsyncRemote().sendText(message);
}
}
public static synchronized int getOnlineCount() {
return onlineCount;
}
public static synchronized void addOnlineCount() {
WebSocketFirst.onlineCount++;
}
public static synchronized void subOnlineCount() {
WebSocketFirst.onlineCount--;
}
}