3分钟使用 WebSocket 搭建属于自己的聊天室（WebSocket 原理、应用解析）

WebSocket 的由来

• 在 WebSocket 出现之前，我们想实现实时通信、变更推送、服务端消息推送功能，我们一般的方案是使用 Ajax 短轮询、长轮询两种方式：
• 比如我们想实现一个服务端数据变更时，立即通知客户端功能，没有 WebSocket 之前我们可能会采用以下两种方案：短轮询或长轮询

• 上面两种方案都有比较明显的缺点：

1、HTTP 协议包含的较长的请求头，有效数据只占很少一部分，浪费带宽
2、短轮询频繁轮询对服务器压力较大，即使使用长轮询方案，客户端较多时仍会对客户端造成不小压力

• 在这种情况下，HTML5 定义了 WebSocket 协议，能更好的节省服务器资源和带宽，并且能够更实时地进行通讯。

WebSocket 是什么

• WebSocket 是一种网络传输协议，可在单个 TCP 连接上进行全双工通信，位于 OSI 模型的应用层。
• 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。客户端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。

WebSocket 优缺点

优点

• 实时性： WebSocket 提供了双向通信，服务器可以主动向客户端推送数据，实现实时性非常高，适用于实时聊天、在线协作等应用。
• 减少网络延迟： 与轮询和长轮询相比，WebSocket 可以显著减少网络延迟，因为不需要在每个请求之间建立和关闭连接。
• 较小的数据传输开销： WebSocket 的数据帧相比于 HTTP 请求报文较小，减少了在每个请求中传输的开销，特别适用于需要频繁通信的应用。
• 较低的服务器资源占用： 由于 WebSocket 的长连接特性，服务器可以处理更多的并发连接，相较于短连接有更低的资源占用。
• 跨域通信： 与一些其他跨域通信方法相比，WebSocket 更容易实现跨域通信。

缺点

• 连接状态保持： 长时间保持连接可能会导致服务器和客户端都需要维护连接状态，可能增加一些负担。
• 不适用于所有场景： 对于一些请求-响应模式较为简单的场景，WebSocket 的实时特性可能并不是必要的，使用 HTTP 请求可能更为合适。
• 复杂性： 与传统的 HTTP 请求相比，WebSocket 的实现和管理可能稍显复杂，尤其是在处理连接状态、异常等方面。

WebSocket 适用场景

• 实时聊天应用： WebSocket 是实现实时聊天室、即时通讯应用的理想选择，因为它能够提供低延迟和高实时性。
• 在线协作和协同编辑： 对于需要多用户协同工作的应用，如协同编辑文档或绘图，WebSocket 的实时性使得用户能够看到其他用户的操作。
• 实时数据展示： 对于需要实时展示数据变化的应用，例如股票行情、实时监控系统等，WebSocket 提供了一种高效的通信方式。
• 在线游戏： 在线游戏通常需要快速、实时的通信，WebSocket 能够提供低延迟和高并发的通信能力。
• 推送服务： 用于实现消息推送服务，向客户端主动推送更新或通知。

主流浏览器对 WebSocket 的兼容性

• 由上图可知：目前主流的 Web 浏览器都支持 WebSocket，因此我们可以在大多数项目中放心地使用它。

WebSocket 通信过程以及原理

建立连接

• WebSocket 协议属于应用层协议，依赖传输层的 TCP 协议。它通过 HTTP/1.1 协议的 101 状态码进行握手建立连接。

具体过程

• 客户端发送一个 HTTP GET 请求到服务器，请求的路径是 WebSocket 的路径（类似 ws://example.com/socket）。请求中包含一些特殊的头字段，如 Upgrade: websocket 和 Connection: Upgrade，以表明客户端希望升级连接为 WebSocket。
• 服务器收到这个请求后，会返回一个 HTTP 101 状态码（协议切换协议）。同样在响应头中包含 Upgrade: websocket 和 Connection: Upgrade，以及一些其他的 WebSocket 特定的头字段，例如 Sec-WebSocket-Accept，用于验证握手的合法性。
• 客户端和服务器之间的连接从普通的 HTTP 连接升级为 WebSocket 连接。之后，客户端和服务器之间的通信就变成了 WebSocket 帧的传输，而不再是普通的 HTTP 请求和响应。

示例

// 客户端请求
GET ws://localhost:8888/ HTTP/1.1
Host: localhost:8888
Connection: Upgrade
Upgrade: websocket
Origin: http://localhost:63342
Sec-WebSocket-Version: 13
Accept-Encoding: gzip, deflate, br
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9,ja;q=0.8,en;q=0.7
Sec-WebSocket-Key: b7wpWuB9MCzOeQZg2O/yPg==
Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits

// 服务端响应
HTTP/1.1 101 Web Socket Protocol Handshake
Connection: Upgrade
Date: Wed, 22 Nov 2023 08:15:00 GMT
Sec-WebSocket-Accept: Q4TEk+qOgJsKy7gedijA5AuUVIw=
Server: TooTallNate Java-WebSocket
Upgrade: websocket

Sec-WebSocket-Key

• 与服务端响应头部的 Sec-WebSocket-Accept 是配套的，提供基本的防护，比如恶意的连接，或者无意的连接；这里的“配套”指的是：Sec-WebSocket-Accept 是根据请求头部的 Sec-WebSocket-Key 计算而来，计算过程大致为基于 SHA1 算法得到摘要并转成 base64 字符串。

Sec-WebSocket-Extensions

• 用于协商本次连接要使用的 WebSocket 扩展。

数据通信

• WebSocket 的每条消息可能会被切分成多个数据帧（最小单位）。发送端会将消息切割成多个帧发送给接收端，接收端接收消息帧并将关联的帧重新组装成完整的消息。

数据帧

      0                   1                   2                   3
      0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
     +-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
     |F|R|R|R| opcode|M| Payload len |    Extended payload length    |
     |I|S|S|S|  (4)  |A|     (7)     |             (16/64)           |
     |N|V|V|V|       |S|             |   (if payload len==126/127)   |
     | |1|2|3|       |K|             |                               |
     +-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +
     |     Extended payload length continued, if payload len == 127  |
     + - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+
     |                               |Masking-key, if MASK set to 1  |
     +-------------------------------+-------------------------------+
     | Masking-key (continued)       |          Payload Data         |
     +-------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - +
     :                     Payload Data continued ...                :
     + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +
     |                     Payload Data continued ...                |
     +---------------------------------------------------------------+

帧头（Frame Header）

• FIN（1比特）： 表示这是消息的最后一个帧。如果消息分成多个帧，FIN 位在最后一个帧上设置为 1。
• RSV1、RSV2、RSV3（各1比特）： 保留位，用于将来的扩展。
• Opcode（4比特）： 指定帧的类型，如文本帧、二进制帧、连接关闭等。

WebSocket 定义了几种帧类型，其中最常见的是文本帧（Opcode 为 0x1）和二进制帧（Opcode 为 0x2）。其他帧类型包括连接关闭帧、Ping 帧、Pong 帧等。

• Mask（1比特）： 指示是否使用掩码对负载进行掩码操作。
• Payload Length： 指定数据的长度。如果小于 126 字节，直接表示数据的长度。如果等于 126 字节，后面跟着 16 比特的无符号整数表示数据的长度。如果等于 127 字节，后面跟着 64 比特的无符号整数表示数据的长度。

掩码（Masking）

• 如果 Mask 位被设置为 1，则帧头后面的 4 字节即为掩码，用于对负载数据进行简单的异或操作，以提高安全性。

负载数据（Payload Data）

• 实际要传输的数据，可以是文本、二进制数据等

来自 MDN 的一个小例子

Client: FIN=1, opcode=0x1, msg="hello"
Server: (process complete message immediately) Hi.

Client: FIN=0, opcode=0x1, msg="and a"
Server: (listening, newmessage containing text started)

Client: FIN=0, opcode=0x0, msg="happy new"
Server: (listening, payload concatenated to previous message)

Client: FIN=1, opcode=0x0, msg="year!"
Server: (process complete message) Happy new year to you too!

维持连接

• 当建立连接后，连接可能因为网络等原因断开，我们可以使用心跳的方式定时检测连接状态。若连接断开，我们可以告警或者重新建立连接。

关闭连接

• WebSocket 是全双工通信，当客户端发送关闭请求时，服务端不一定立即响应，而是等服务端也同意关闭时再进行异步响应。
• 下面是一个客户端关闭的例子：

Client: FIN=1, opcode=0x8, msg="1000"
Server: FIN=1, opcode=0x8, msg="1000"

使用 WebSocket 实现一个简易聊天室

• 下面是一个简易聊天室小案例，任何人打开下面的网页都可以加入我们聊天室进行聊天，然后小红和小明加入了聊天：

前端源码

DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>WebSocket Chattitle>
head>
<body>
<div id="chat">div>
<input type="text" id="messageInput" placeholder="Type your message">
<button onclick="sendMessage()">Sendbutton>

<script>
    const socket = new WebSocket('ws://localhost:8888');

    socket.onopen = (event) => {
        console.log('WebSocket connection opened:', event);
    };

    socket.onmessage = (event) => {
        const messageDiv = document.getElementById('chat');
        const messageParagraph = document.createElement('p');
        messageParagraph.textContent = event.data;
        messageDiv.appendChild(messageParagraph);
    };

    socket.onclose = (event) => {
        console.log('WebSocket connection closed:', event);
    };

    function sendMessage() {
        const messageInput = document.getElementById('messageInput');
        const message = messageInput.value;
        socket.send(message);
        messageInput.value = '';
    }
script>
body>
html>

后端源码 Java

package chat;

import org.java_websocket.WebSocket;
import org.java_websocket.handshake.ClientHandshake;
import org.java_websocket.server.WebSocketServer;

import java.net.InetSocketAddress;

public class ChatServer extends WebSocketServer {

    public ChatServer(int port) {
        super(new InetSocketAddress(port));
    }

    @Override
    public void onOpen(WebSocket conn, ClientHandshake handshake) {
        System.out.println("New connection from: " + conn.getRemoteSocketAddress().getAddress().getHostAddress());
    }

    @Override
    public void onClose(WebSocket conn, int code, String reason, boolean remote) {
        System.out.println("Closed connection to: " + conn.getRemoteSocketAddress().getAddress().getHostAddress());
    }

    @Override
    public void onMessage(WebSocket conn, String message) {
        System.out.println("Received message: " + message);
        // Broadcast the message to all connected clients
        broadcast(message);
    }

    @Override
    public void onError(WebSocket conn, Exception ex) {
        System.err.println("Error on connection: " + ex.getMessage());
    }

    @Override
    public void onStart() {
    }

    public static void main(String[] args) {
        int port = 8888;
        ChatServer server = new ChatServer(port);
        server.start();
        System.out.println("WebSocket Server started on port: " + port);
    }
}

总结

• WebSocket 是一种在客户端和服务器之间建立实时双向通信的协议。具备全双工、低延迟等优点，适用于实时聊天、多人协助、实时数据展示等场景。

参考

• WebSocket：概念、原理

个人简介

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我对技术的热情是我不断学习和分享的动力。我的博客是一个关于Java生态系统、后端开发和最新技术趋势的地方。

作为一个 Java 后端技术爱好者，我不仅热衷于探索语言的新特性和技术的深度，还热衷于分享我的见解和最佳实践。我相信知识的分享和社区合作可以帮助我们共同成长。

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