WebSocket协议及其在实时通信中的重要性

���文深入介绍了WebSocket协议及其在实时通信中的重要性。从HTTP的限制到WebSocket的优势，再到连接建立和实际应用，全面阐述了WebSocket的工作原理及其在实际业务中的应用场景。

一、引言

在生产中，有时需要服务端向客户端发送消息，但是在传统的 HTTP 协议中，是请求-响应模式，也就是说每个请求都是独立的，是由客户端向服务器发送请求，服务器处理请求并返回响应，然后连接就会关闭。

这种请求-响应模式并不能支持后端发起请求，为了解决传统 HTTP 协议在实时通信中的限制，WebSocket协议被引入。

二、WebSocket 介绍

WebSocket 是一种网络传输协议。它允许客户端和服务器之间进行双向通信，而不需要每次请求都重新建立连接。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 通信始于 HTTP 握手，之后升级到WebSocket协议。具有以下优势：

1. 双向通信：WebSocket支持全双工通信，允许服务器主动向客户端推送数据，而不需要客户端发送请求。
2. 较低的延迟：WebSocket 通过在建立连接后保持持久连接的方式，避免了重复建立和关闭连接的开销。可以减少延迟，实现更快的数据传输和实时更新。
3. 减少网络流量：与轮询方式相比，WebSocket 采用事件驱动的方式，只在有新数据时才发送更新，避免了不必要的网络流量和服务器负载。
4. 兼容性：WebSocket 协议已经得到了广泛的支持。

三、其他主动推送

1.短轮询

优势：

• 实现简单。简单场景的快速的解决方案。

  劣势：

• 请求频繁。频繁的请求和响应会导致较高的网络开销和延迟。
• 资源占用高。对服务器资源的占用较高，每次请求需要建立连接和断开连接。

  2.长轮询

  优势：

  • 相比短轮询，能够减少一部分请求的频繁性。客户端在收到响应后会立即发起新的请求。
  • 相比短轮询速度相较快。服务器在有数据时才会响应，能够更快地将数据推送给客户端。

    劣势：

  • 延迟高。存在一定程度的延迟，客户端需要等待服务器有数据时才能收到响应。
  • 资源占用高。服务器需要维护大量的长连接，可能会影响服务器的性能。

    3.iframe流

    优势：

    • 通过在 iframe 中加载长连接资源来实现数据推送，相对于传统的轮询方式，可以降低一定程度的延迟。

      劣势：

    • 受到浏览器同源策略的限制。
    • 复杂应用场景难以管理和维护。

      4.SSE（Server-Sent Events）

      优势：

      • 基于 HTTP，在不需要额外的握手过程的情况下实现服务器向客户端的数据推送，降低了通信的开销。
      • 相对于传统的轮询方式，能够实现较低的延迟。

        劣势：

      • 仅支持单向通信，无法实现客户端到服务器的双向通信。

        5.Socket.IO

        优势：

        • 提供了跨浏览器的双向通信能力，可以自动选择最佳的通信方式，包括 WebSocket、轮询等，从而实现较低的延迟。
        • 支持实时双向通信。

          劣势：

        • 需要额外的库支持，增加代码的复杂性。

          6.WebSocket

          优势：

          • 提供了实时的双向通信能力，实现最低的延迟。
          • 与 HTTP 不同，WebSocket 在建立连接后能够直接实现服务器和客户端之间的双向通信，而不需要频繁地发起新的连接。

            劣势：

          • 部署和维护复杂。

            7.如何选择

            双向通讯：WebSocket、Socket.IO

            实时性：WebSocket >= Socket.IO > SSE ≈ iframe流 ≈ 长轮询 > 短轮询

            仅单向通讯：SSE

            场景简单且不复杂：长轮询、短轮询

            四、WebSocket 应用

            1.传统 HTTP 的限制

            HTTP 是请求-响应模式，也就是说每个请求都是独立的。

            WebSocket 是全双工通信。全双工（Full Duplex）是指在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行。

            用一个例子来解释一下两个的区别：

            WebSocket（ws）就像你在餐厅里用餐，旁边有一位专门跟着你的服务员。你点菜，服务员会立刻把你的要求传达给厨房，菜做好后立刻送到你桌上，甚至如果厨房需要你的建议，服务员也能立即传达给你。

            而 HTTP 就像整个餐厅共用一批服务员。可能 A 服务员会给你送第一道菜，但送第二道菜的时候会换成 B 服务员。而且服务员之间不共享信息。也就是说，如果你向 A 服务员点了菜，当你问 B 服务员的时候，B 会回答你“很快就上了”，但实际上 B 并不知道这个事情，只是在安慰你的情绪。

            从资源使用上讲，相比于 HTTP，WebSocket 更具优势。相比于每次通讯需要建立连接，WebSocket只需要维持 TCP 即可。

            ![[Pasted image 20231209204843.png]]

            2.WebSocket 连接的建立

            WebSocket 连接流程

            1. 建立 TCP 连接：WebSocket 连接首先需要建立一个基础的 TCP 连接，这是因为WebSocket 是基于 TCP 的。
            2. 发送特殊的 HTTP 请求（WebSocket 握手）：客户端会发送一个特殊的 HTTP 请求，这个请求被称为 WebSocket 握手请求。这个请求包含一些特殊的头部信息，其中包括 Upgrade 和 Connection 字段，告诉服务器希望升级到 WebSocket 协议。服务器收到这个请求后，如果支持 WebSocket，就会进行协议升级。
            3. 服务器确认协议升级：如果服务器支持 WebSocket，它会发送一个类似的响应，这个响应也包含特殊的头部信息，告诉客户端协议已经升级到 WebSocket。这样，从此之后，客户端和服务器之间的通信就不再遵循传统的 HTTP 协议，而是遵循 WebSocket 协议。
            4. 使用 WebSocket 协议进行通讯：一旦协议升级完成，客户端和服务器就可以使用 WebSocket 协议进行实时的双向通信，发送和接收数据帧而无需频繁地建立和断开连接。

               ![[Pasted image 20231209204917.png]]

            WebSocket 握手

            创建HTTP请求，对连接进行升级参数如下：

            # 请求头Request Headers# websocket版本Sec-WebSocket-Version: 13# 唯一口令，base64编码Sec-WebSocket-Key: 2icxlyJOYxKXJpCXa8T14Q==# 连接升级为websocket协议Connection: UpgradeUpgrade: websocketSec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bitsHost: 127.0.0.1:9095# 返回值Response Headers# 升级为websocket协议Upgrade: websocketConnection: upgrade# 口令Sec-WebSocket-Accept: stCq5oQ38vohTpeBYUTMb0IU8Fo=Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate;client_max_window_bits=15

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            ![[Pasted image 20231209202607.png]]

            3.分布式环境中的 Session 共享

            分布式问题

            在生产中，程序往往是以分布式进行部署的，即启动多份程序，通过代理提高并发能力。

            如下图，用户A 通过负载在节点1上建立了 WebSocket 连接，连接的 Session 也存储在节点1。当 用户A 的数据通过其他方式到达系统时，通过负载代理，最终到达节点4，当节点4对数据进行发送时，发现此节点没有用户A的Session，这样就导致了分布式情况下出现发送不了的情况。

            WebSocket 的 Session 是继承自 Closeable，不能像 HttpSession 一样，把内容序列化到Redis中，每个客户端都会与服务器之间建立独立的 WebSocket 连接，Session 存储在建立连接的服务中，那么就引申出 WebSocket 的分布式问题。

            ![[Pasted image 20231129215436.png]]

            解决方法

            解决方法大概有三种，分别为中间件广播处理、服务间建立WebSocket连接、请求代理哈希转发。

            1. 中间件广播处理：利用中间件广播的能力，当出现需要发送的消息时，广播所有节点，至少有一个节点能够处理此消息，发送给客户端。
            2. 服务间建立WebSocket连接：所有服务间建立WebSocket连接，分内外两部分连接，外部为用户发起的连接，内部为节点间的连接。通过记录用户连接关系，即可知消息需发送的客户端节点。
            3. 请求代理哈希转发：通过重写代理的方式，获取请求头中用户信息，哈希分配到指定节点处理操作。

            下面是不同方法间的对比：

            	中间件广播处理	服务间建立WebSocket连接	请求代理哈希转发
            优势	简单易实现	点对点通讯，灵活性较高	定向请求，保证数据一致性
            劣势	依赖于中间件，广播效率低	系统复杂，需维护大量连接	可能负载不均衡，需自定义负载策略
            扩展性	扩展性好	随节点增加复杂	节点增加减少需重新计算哈希值

            分析

            第二种、第三种方法是可以解决分布式的问题，但在实现难易程度、扩展性方面相比第一种不具有优势。

            • 第二种，需要维护众多WebSocket连接，需要节点间长连接，自动重连等功能，维护调试成本高。
            • 第三种，需要对集群节点可用数量精确把控，若节点已经down掉，需要重新计算哈希值，以免代理到此节点上，维护成本高。

              综上所述，选择第一种方案相比来讲，在开发、维护方面更加具有优势。

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              五、WebSocket案例

              1.业务场景和需求

              消息数据通过三方接口接入到系统中，服务端主动发送消息到小程序，小程序进行页面跳转，展示消息（由于小程序不支持SSE，选择WebSocket解决主动推送问题）。

              要求有较高实时性。由于消息不知什么时候发送到系统中，所以连接在跳转前一直维持。

              2.分析

              由于消息会不定时接入到系统中，请求通过负载到不同节点，需要保持连接，且解决分布式问题。分析结果如下：

              1. 分布式问题。消息接收节点 与 用户建立 WebSocket 连接节点，两节点不一定一致。
              2. 连接空挡。连接到达最大时间后自动断开，与下次连接间存在时间差。所以需要重复连接，这样会导致多个连接存在，消息多次发送问题。
              3. 恶意连接。恶意使用不存在的 key 进行恶意连接。

              针对上述问题方案如下：

              1. 使用MQ广播解决分布式问题。接收消息广播的方式分发。
              2. 在 WebSocket 连接成功后也进行广播，目的是断开此人其他的连接，保证连接有且仅有一个。
              3. 在连接建立前重写钩子函数，对用户进行校验。

              ![[Pasted image 20231129220451.png]]

              3.关键代码

              对Session进行封装，扩展Session数据，添加Session管理类，封装相应的方法

              public class SessionExt {      private WebSocketSession session;      private String uniqueId;    ... 省略 get set 方法}

              @Component  public class SessionContainer {      private static final ConcurrentHashMap SESSION_MAP =              new ConcurrentHashMap(WebSocketConstants.INT_16);        /**       * 获取 session 数据       *       * @param key key       * @return session       */         public SessionExt getSessionExt(String key) {          return SESSION_MAP.getOrDefault(key, null);      }        /**       * 添加 session 数据       *       * @param key        key       * @param sessionExt sessionExt       */         public void addSessionExt(String key, SessionExt sessionExt) {          SESSION_MAP.put(key, sessionExt);      }        /**       * 添加 session 数据       *       * @param key        key       * @param sessionExt sessionExt       */         public void addSessionExtAndClose(String key, SessionExt sessionExt) {          SessionExt sessionExtOld = SESSION_MAP.get(key);          if (sessionExtOld != null) {              sessionExtOld.closeSession();          }          SESSION_MAP.put(key, sessionExt);      }        /**       * 删除 session 数据       *       * @param key key       */         public void delSessionExt(String key) {          SESSION_MAP.remove(key);      }  }

              连接创建、关闭后的广播回调，关闭多余连接

               public void handleOpenProcessing(String key, String uniqueId) {      SessionExt sessionExt = SESSION_CONTAINER.getSessionExt(key);      if (sessionExt != null) {          String uniqueIdOld = sessionExt.getUniqueId();          if (!uniqueIdOld.equals(uniqueId)) {              log.debug("[websocket]广播，连接后置处理，关闭用户之前连接");              sessionExt.closeSession();              SESSION_CONTAINER.delSessionExt(key);          }      }      log.info("[websocket]广播，连接后置处理，完成");  }    public void handleCloseProcessing(String key, String uniqueId) {      log.debug("[websocket]广播处理 关闭连接，key：" + key);      SessionExt sessionExt = SESSION_CONTAINER.getSessionExt(key);      if (sessionExt != null) {          String uniqueIdOld = sessionExt.getUniqueId();          if (uniqueIdOld.equals(uniqueId)) {              sessionExt.closeSession();              SESSION_CONTAINER.delSessionExt(key);          }      }      log.info("[websocket]广播，关闭后置处理，完成");  }

              六、总结

              本文介绍了 WebSocket 协议及其在实时通信中的重要性。因为传统 HTTP 协议的限制，引出了 WebSocket 协议，展现了 WebSocket 相对于传统HTTP的优越性。

              对WebSocket连接的建立过程进行了详细解析，包括TCP连接的建立、特殊HTTP请求的发送以及协议升级的过程。

              最后通过具体案例 WebSocket 在分布式环境中的 Session 共享问题，并提出了解决方案。