C# 中 WebSocket 的详细讲解与实现

编程语言 2025-04-08 08:57
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WebSocket 是一种网络通信协议，特别适用于需要实时双向通信的应用场景。它能够使客户端和服务器之间建立起持久、低延迟的连接，使得数据能够快速双向传输，广泛应用于实时聊天、在线游戏、股票行情更新等场景。在 C# 中，使用 WebSocket 的开发也变得相对简单和高效。本文将深入探讨 WebSocket 的工作原理，并介绍如何在 C# 中实现 WebSocket 客户端和服务器。

1. 什么是 WebSocket？

WebSocket 是一种网络协议，允许客户端和服务器之间进行双向通信。与传统的 HTTP 协议不同，WebSocket 在连接建立后，不需要每次请求都重新建立连接，而是可以维持持久连接，实现实时数据传输。

WebSocket 的特点：

  • 全双工通信：客户端和服务器可以在同一时刻互相发送和接收数据。

  • 持久连接：一旦连接建立，可以在两者之间进行多次消息交换，而不需要每次请求时重新建立连接。

  • 低延迟：WebSocket 允许几乎实时的双向消息交换，减少了传统 HTTP 请求的延迟。

  • 减少开销：WebSocket 通过降低头部开销、避免每次请求重复的 HTTP 头信息，减少了网络带宽的消耗。

WebSocket 协议广泛应用于需要实时通信的场景，如：

  • 实时聊天应用

  • 实时数据流应用（如股票数据、体育赛事）

  • 在线多人游戏

  • 实时协作平台（如多人白板、文档编辑等）

2. WebSocket 协议与 HTTP 的区别

特性 WebSocket HTTP
连接方式 双向全双工，持续连接 单向请求-响应，短暂连接
数据传输 实时双向传输 客户端请求，服务器响应
开销 较小，减少重复的头部数据 每次请求都需要发送头信息
延迟 低延迟，适合实时通信 较高延迟，尤其是多次请求时

3. WebSocket 的工作原理

WebSocket 的工作过程可以分为以下几个步骤：

1. 握手阶段

当客户端首次连接到服务器时，客户端发送一个 HTTP 请求，带有 Upgrade: websocket 的头部，要求将连接从 HTTP 协议切换为 WebSocket 协议。服务器收到该请求后，如果支持 WebSocket 协议，会返回一个 HTTP/1.1 101 Switching Protocols 的响应，表示协议切换成功。

2. 数据传输阶段

WebSocket 连接建立后，客户端和服务器可以随时向对方发送消息。这些消息通常以“帧”的形式传输，可以是文本帧、二进制帧等。

3. 关闭连接

当任一方不再需要 WebSocket 连接时，可以通过发送一个关闭帧来优雅地关闭连接。

4. 在 C# 中实现 WebSocket

在 C# 中，可以使用 System.Net.WebSockets 命名空间来实现 WebSocket 客户端和服务器端。C# 提供了 ClientWebSocket 类用于实现 WebSocket 客户端，和 HttpListener 类结合 WebSocket 来实现 WebSocket 服务器。

4.1 C# WebSocket 客户端示例

以下是一个简单的 WebSocket 客户端示例，使用 ClientWebSocket 类与 WebSocket 服务器进行通信：

using System;
using System.Net.WebSockets;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static async Task Main(string[] args)
    {
        Uri serverUri = new Uri("ws://localhost:5000");  // WebSocket 服务器地址
        ClientWebSocket webSocket = new ClientWebSocket();

        try
        {
            // 连接到 WebSocket 服务器
            await webSocket.ConnectAsync(serverUri, CancellationToken.None);
            Console.WriteLine("Connected to WebSocket server");

            // 发送消息到服务器
            string message = "Hello, WebSocket!";
            byte[] buffer = Encoding.UTF8.GetBytes(message);
            await webSocket.SendAsync(new ArraySegment<byte>(buffer), WebSocketMessageType.Text, true, CancellationToken.None);
            Console.WriteLine("Message sent to server");

            // 接收服务器的消息
            buffer = new byte[1024];
            WebSocketReceiveResult result = await webSocket.ReceiveAsync(new ArraySegment<byte>(buffer), CancellationToken.None);
            string response = Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, result.Count);
            Console.WriteLine("Message received from server: " + response);

            // 关闭连接
            await webSocket.CloseAsync(WebSocketCloseStatus.NormalClosure, "Closing", CancellationToken.None);
            Console.WriteLine("Connection closed");
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine("Error: " + ex.Message);
        }
    }
}

在这个示例中，客户端与服务器建立了一个 WebSocket 连接，发送了一条消息到服务器，然后接收了服务器的响应，并最终关闭了连接。

4.2 C# WebSocket 服务器示例

在 C# 中构建 WebSocket 服务器，我们可以使用 HttpListener 类来监听客户端的 WebSocket 请求，然后进行协议升级。以下是一个简单的 WebSocket 服务器示例：

using System;
using System.Net;
using System.Net.WebSockets;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static async Task Main(string[] args)
    {
        HttpListener httpListener = new HttpListener();
        httpListener.Prefixes.Add("http://localhost:5000/");  // 监听端口 5000
        httpListener.Start();
        Console.WriteLine("WebSocket server started...");

        while (true)
        {
            HttpListenerContext context = await httpListener.GetContextAsync();
            if (context.Request.IsWebSocketRequest)
            {
                // 升级为 WebSocket 连接
                WebSocketContext webSocketContext = await context.AcceptWebSocketAsync(null);
                WebSocket webSocket = webSocketContext.WebSocket;

                Console.WriteLine("WebSocket connection established");

                // 接收客户端消息并回复
                byte[] buffer = new byte[1024];
                while (webSocket.State == WebSocketState.Open)
                {
                    WebSocketReceiveResult result = await webSocket.ReceiveAsync(new ArraySegment<byte>(buffer), CancellationToken.None);
                    string message = Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, result.Count);
                    Console.WriteLine("Received from client: " + message);

                    // 向客户端发送回应消息
                    string responseMessage = "Hello from WebSocket server!";
                    byte[] responseBuffer = Encoding.UTF8.GetBytes(responseMessage);
                    await webSocket.SendAsync(new ArraySegment<byte>(responseBuffer), WebSocketMessageType.Text, true, CancellationToken.None);
                }

                // 关闭连接
                await webSocket.CloseAsync(WebSocketCloseStatus.NormalClosure, "Closing", CancellationToken.None);
                Console.WriteLine("WebSocket connection closed");
            }
            else
            {
                context.Response.StatusCode = 400;  // Bad Request
                context.Response.Close();
            }
        }
    }
}

在这个示例中，服务器使用 HttpListener 监听指定端口的 HTTP 请求，并通过 AcceptWebSocketAsync 升级为 WebSocket 连接。服务器接收并处理来自客户端的消息，然后发送回应。

5. WebSocket 的优势与应用场景

5.1 WebSocket 的优势

  • 低延迟：WebSocket 通过持久连接避免了 HTTP 的高延迟，使得实时通信变得更加高效。

  • 全双工通信：支持双向通信，客户端和服务器可以在同一时刻发送和接收消息，非常适合需要频繁交互的应用。

  • 减少带宽消耗：通过减少头部数据和无状态请求，WebSocket 显著减少了带宽消耗。

  • 持久连接：WebSocket 连接一旦建立，可以保持长时间，适用于频繁更新的数据流。

5.2 WebSocket 的应用场景

  • 实时聊天：WebSocket 非常适合实时消息传递，广泛应用于即时通讯软件和社交平台。

  • 股票行情与金融应用：实时股票数据的推送和更新。

  • 在线多人游戏：游戏服务器与客户端之间的即时数据交换。

  • 协作平台：多人同时编辑文档或白板时的实时协作。

6. 总结

WebSocket 是一种高效、低延迟的通信协议，适用于实时应用程序。通过 C# 提供的 ClientWebSocket 和 HttpListener 类，开发者可以轻松实现 WebSocket 客户端和服务器。无论是实时聊天、在线游戏，还是金融数据传输，WebSocket 都能够提供优秀的性能和用户体验。掌握 WebSocket 的使用方式，将大大增强你在实时通信领域的开发能力。

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