【计算机网络】WebSocket

WebSocket 是一种在单个 TCP 连接上实现全双工通信的协议，旨在解决传统 HTTP 协议在实时通信场景中的局限性。

1、消息推送方式

1.1 轮询（Polling）

特点：
- 客户端定期向服务器发送请求，询问是否有新消息。
- 实现简单，但效率较低，因为即使在没有新消息的情况下，客户端也会频繁发送请求，浪费网络资源。
适用场景：
- 对实时性要求不高的应用，或者作为临时解决方案。

1.2 长轮询（Long Polling）

特点：
- 客户端向服务器发送请求后，服务器会保持连接打开，直到有新消息或超时为止。
- 一旦有新消息，服务器立即响应并发送数据给客户端，然后客户端关闭连接并重新发起一个新的请求。
- 相比轮询，长轮询减少了客户端的请求次数，提高了效率。
适用场景：
- 需要一定实时性，但不想使用WebSocket等更复杂技术的场景。

1.3 WebSocket

特点：
- 提供了全双工的通信通道，允许服务器和客户端在任意时刻发起消息传递。
- 适用于实时通信和推送场景，如聊天应用、实时通知等。
- 支持文本和二进制数据格式，具有更好的性能和可扩展性。
适用场景：
- 需要高实时性和双向通信的应用，如在线游戏、实时协作工具等。

1.4 SSE（Server-Sent Events）

特点：
- 一种允许服务器向客户端推送实时数据的技术，但仅支持从服务器到客户端的单向通信。
- 客户端通过HTTP GET请求建立连接，服务器可以通过该连接持续向客户端发送事件流。
- 实现简单，适用于需要实时更新但不需要客户端响应的场景。
适用场景：
- 如股票价格更新、社交媒体通知等需要实时数据更新的应用。

2、与 HTTP 的对比

HTTP 的局限性：
- 单向通信：客户端发起请求，服务器响应后连接关闭。
- 高开销：频繁的请求-响应模式导致头部重复传输。
- 延迟高：无法实现服务器主动推送数据（需依赖轮询或长轮询）。
WebSocket 的优势：
- 全双工通信：客户端和服务器可同时发送数据。
- 低开销：连接持久化，数据帧头部仅 2~10 字节。
- 低延迟：建立连接后，数据实时传输。

3、工作原理

握手阶段（Handshake）

客户端发起请求：通过 HTTP 协议发送升级请求：

GET /chat HTTP/1.1
Host: example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Sec-WebSocket-Version: 13

服务器响应：返回状态码 101 Switching Protocols 完成协议升级：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

数据传输
- 握手后，连接保持打开，双方通过数据帧（Frame）通信。
- 支持文本（UTF-8）和二进制数据格式。
- 通过 opcode 标识数据类型（如 0x1 表示文本，0x2 表示二进制）。

4、关键特性

持久连接：无需重复握手，减少延迟。
跨域支持：通过 Origin 头实现安全跨域通信。
心跳机制：通过 Ping/Pong 帧检测连接状态。
协议扩展：支持压缩（如 permessage-deflate）等扩展功能。

5、应用场景

实时通信：聊天应用（如 Slack）、在线客服。
高频数据更新：股票行情、实时游戏（如多人对战）。
协同工具：在线文档编辑（如 Google Docs）、远程控制。
IoT 设备：传感器数据实时监控。

6、实现示例

Java原生代码实现websocket

依赖：

<dependency>
    <groupId>org.java-websocket</groupId>
    <artifactId>Java-WebSocket</artifactId>
    <version>1.5.3</version>
</dependency>

服务端

package com.example.helloword;

import org.java_websocket.WebSocket;
import org.java_websocket.handshake.ClientHandshake;
import org.java_websocket.server.WebSocketServer;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.util.Collections;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

public class ChatServer extends WebSocketServer {
      
      
    private static final int PORT = 8888;
    private final Set<WebSocket> connections = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());

    public ChatServer() {
      
      
        super(new InetSocketAddress(PORT));
    }

    @Override
    public void onOpen(WebSocket conn, ClientHandshake handshake) {
      
      
        connections.add(conn);
        System.out.println("新客户端连接: " + conn.getRemoteSocketAddress());
        broadcast("用户[" + conn.getRemoteSocketAddress() + "] 进入聊天室");
    }

    @Override
    public void onClose(WebSocket conn, int code, String reason, boolean remote) {
      
      
        connections.remove(conn);
        System.out.println("客户端断开: " + conn.getRemoteSocketAddress());
        broadcast("用户[" + conn.getRemoteSocketAddress() + "] 离开聊天室");
    }

    @Override
    public void onMessage(WebSocket conn, String message) {
      
      
        System.out.println("收到消息: " + message);
        broadcast("用户[" + conn.getRemoteSocketAddress() + "]: " + message);
    }

    @Override
    public void onError(WebSocket conn, Exception ex) {
      
      
        System.err.println("发生错误: " + ex.getMessage());
    }

    @Override
    public void onStart() {
      
      
        System.out.println("Server started!");
    }

    public static void main(String[] args) {
      
      
        ChatServer server = new ChatServer();
        server.start();
        System.out.println("服务端已启动，监听端口: " + PORT);
    }
}

客户端

package com.example.helloword;

import org.java_websocket.client.WebSocketClient;
import org.java_websocket.handshake.ServerHandshake;
import java.net.URI;
import java.util.Scanner;

public class ChatClient extends WebSocketClient {
      
      
    public ChatClient(URI serverUri) {
      
      
        super(serverUri);
    }

    @Override
    public void onOpen(ServerHandshake handshakedata) {
      
      
        System.out.println("已连接到服务端");
    }

    @Override
    public void onMessage(String message) {
      
      
        System.out.println(message); // 接收服务端广播的消息
    }

    @Override
    public void onClose(int code, String reason, boolean remote) {
      
      
        System.out.println("连接关闭: " + reason);
    }

    @Override
    public void onError(Exception ex) {
      
      
        System.err.println("发生错误: " + ex.getMessage());
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
      
      
        ChatClient client = new ChatClient(new URI("ws://localhost:8888"));
        client.connect();

        // 读取控制台输入并发送消息
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        System.out.println("输入消息（输入 'exit' 退出）:");
        String message;
        while (!(message = scanner.nextLine()).equalsIgnoreCase("exit")) {
      
      
            client.send(message);
        }
        client.close();
    }
}

7、注意事项

安全性：
使用 wss://（WebSocket over TLS）加密通信。
验证 Origin 头防止跨站劫持（CSRF）。
兼容性：现代浏览器均支持，但需考虑旧版本回退方案（如长轮询）。
资源管理：长时间连接可能占用服务器资源，需合理设计连接生命周期。
总结

WebSocket 通过高效的双向通信机制，成为实时应用的理想选择。其设计在减少网络开销的同时，提供了灵活的扩展能力，适用于从即时通讯到物联网的广泛场景。开发者需结合具体需求权衡其优缺点，并注意安全与兼容性实践。

10、资料

java 实现 websocket的五种方式