WebSocket

Posted 2020-10-20 andywu

所周知，Web 应用的交互过程通常是客户端通过浏览器发出一个请求，服务器端接收请求后进行处理并返回结果给客户端，客户端浏览器将信息呈现，这种机制对于信息变化不是特别频繁的应用尚可，但对于实时要求高、海量并发的应用来说显得捉襟见肘，尤其在当前业界移动互联网蓬勃发展的趋势下，高并发与用户实时响应是 Web 应用经常面临的问题，比如金融证券的实时信息，Web 导航应用中的地理位置获取，社交网络的实时消息推送等。

传统的请求-响应模式的 Web 开发在处理此类业务场景时，通常采用实时通讯方案，常见的是：

轮询，原理简单易懂，就是客户端通过一定的时间间隔以频繁请求的方式向服务器发送请求，来保持客户端和服务器端的数据同步。问题很明显，当客户端以固定频率向服务器端发送请求时，服务器端的数据可能并没有更新，带来很多无谓请求，浪费带宽，效率低下。

基于 Flash，AdobeFlash 通过自己的 Socket 实现完成数据交换，再利用 Flash 暴露出相应的接口为 javascript 调用，从而达到实时传输目的。此方式比轮询要高效，且因为 Flash 安装率高，应用场景比较广泛，但在移动互联网终端上 Flash 的支持并不好。ios 系统中没有 Flash 的存在，在 android 中虽然有 Flash 的支持，但实际的使用效果差强人意，且对移动设备的硬件配置要求较高。2012 年 Adobe 官方宣布不再支持 Android4.1+系统，宣告了 Flash 在移动终端上的死亡。

从上文可以看出，传统 Web 模式在处理高并发及实时性需求的时候，会遇到难以逾越的瓶颈，我们需要一种高效节能的双向通信机制来保证数据的实时传输。在此背景下，基于 html5 规范的、有 Web TCP 之称的 WebSocket 应运而生。

早期 HTML5 并没有形成业界统一的规范，各个浏览器和应用服务器厂商有着各异的类似实现，如 IBM 的 MQTT，Comet 开源框架等，直到 2014 年，HTML5 在 IBM、微软、Google 等巨头的推动和协作下终于尘埃落地，正式从草案落实为实际标准规范，各个应用服务器及浏览器厂商逐步开始统一，在 JavaEE7 中也实现了 WebSocket 协议，从而无论是客户端还是服务端的 WebSocket 都已完备，读者可以查阅HTML5 规范，熟悉新的 HTML 协议规范及 WebSocket 支持。

WebSocket 机制

以下简要介绍一下 WebSocket 的原理及运行机制。

WebSocket 是 HTML5 一种新的协议。它实现了浏览器与服务器全双工通信，能更好的节省服务器资源和带宽并达到实时通讯，它建立在 TCP 之上，同 HTTP 一样通过 TCP 来传输数据，但是它和 HTTP 最大不同是：

WebSocket 是一种双向通信协议，在建立连接后，WebSocket 服务器和 Browser/Client Agent 都能主动的向对方发送或接收数据，就像 Socket 一样；

WebSocket 需要类似 TCP 的客户端和服务器端通过握手连接，连接成功后才能相互通信。

非 WebSocket 模式传统 HTTP 客户端与服务器的交互如下图所示：

图 1. 传统 HTTP 请求响应客户端服务器交互图

 

 

使用 WebSocket 模式客户端与服务器的交互如下图：

图 2.WebSocket 请求响应客户端服务器交互图

 

上图对比可以看出，相对于传统 HTTP 每次请求-应答都需要客户端与服务端建立连接的模式，WebSocket 是类似 Socket 的 TCP 长连接的通讯模式，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 端断掉连接前，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，实时性优势明显。

在客户端，new WebSocket 实例化一个新的 WebSocket 客户端对象，连接类似 ws://yourdomain:port/path 的服务端 WebSocket URL，WebSocket 客户端对象会自动解析并识别为 WebSocket 请求，从而连接服务端端口，执行双方握手过程，客户端发送数据格式类似：

清单 1.WebSocket 客户端连接报文

GET /webfin/websocket/ HTTP/1.1
Host: localhost
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: xqBt3ImNzJbYqRINxEFlkg==
Origin: http://localhost:8080
Sec-WebSocket-Version: 13

 

可以看到，客户端发起的 WebSocket 连接报文类似传统 HTTP 报文，”Upgrade：websocket”参数值表明这是 WebSocket 类型请求，“Sec-WebSocket-Key”是 WebSocket 客户端发送的一个 base64 编码的密文，要求服务端必须返回一个对应加密的“Sec-WebSocket-Accept”应答，否则客户端会抛出“Error during WebSocket handshake”错误，并关闭连接。

服务端收到报文后返回的数据格式类似：

清单 2.WebSocket 服务端响应报文

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: K7DJLdLooIwIG/MOpvWFB3y3FE8=

 

“Sec-WebSocket-Accept”的值是服务端采用与客户端一致的密钥计算出来后返回客户端的,“HTTP/1.1 101 Switching Protocols”表示服务端接受 WebSocket 协议的客户端连接，经过这样的请求-响应处理后，客户端服务端的 WebSocket 连接握手成功, 后续就可以进行 TCP 通讯了。读者可以查阅WebSocket 协议栈了解 WebSocket 客户端和服务端更详细的交互数据格式。

在开发方面，WebSocket API 也十分简单，我们只需要实例化 WebSocket，创建连接，然后服务端和客户端就可以相互发送和响应消息，在下文 WebSocket 实现及案例分析部分，可以看到详细的 WebSocket API 及代码实现。

WebSocket 实现

如上文所述，WebSocket 的实现分为客户端和服务端两部分，客户端（通常为浏览器）发出 WebSocket 连接请求，服务端响应，实现类似 TCP 握手的动作，从而在浏览器客户端和 WebSocket 服务端之间形成一条 HTTP 长连接快速通道。两者之间后续进行直接的数据互相传送，不再需要发起连接和相应。

清单 3.WebSocket 服务端 API 示例

@ServerEndpoint("/echo")
public class EchoEndpoint {
 
@OnOpen
public void onOpen(Session session) throws IOException {
//以下代码省略...
}
 
@OnMessage
public String onMessage(String message) {
//以下代码省略...
}
 
@Message(maxMessageSize=6)
public void receiveMessage(String s) {
//以下代码省略...
}
 
@OnError
public void onError(Throwable t) {
//以下代码省略...
}
 
@OnClose
public void onClose(Session session, CloseReason reason) {
//以下代码省略...
}
 
}

 

 

清单 5.WebSocket 客户端 API 示例

var ws = new WebSocket(“ws://echo.websocket.org”);
ws.onopen = function(){ws.send(“Test!”); };
ws.onmessage = function(evt){console.log(evt.data);ws.close();};
ws.onclose = function(evt){console.log(“WebSocketClosed!”);};
ws.onerror = function(evt){console.log(“WebSocketError!”);};