WebSocket 协议及其使用案例

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前言

WebSocket 协议是一种用于实时通信、全双工的网络协议。它运行在传输层之上，通常基于 TCP 连接。相较于传统的 HTTP 协议，WebSocket 协议能够在单个连接上进行双向通信，实现数据的实时交互，因此在实时性较高的应用中表现得尤为出色。

一、初识 WebSocket 协议

1.1 什么是 WebSocket 协议

WebSocket 协议是一种允许服务器和客户端之间进行全双工、实时通信的协议。它克服了 HTTP 协议的请求-响应模式，通过在客户端和服务器之间建立持久性的连接，实现了数据的实时传输。传统的 HTTP 连接每次请求都需要建立和关闭，而 WebSocket 连接则能够一直保持开放状态，避免了频繁的连接建立和关闭开销。

WebSocket协议的特点包括：

• 全双工通信： 服务器和客户端可以同时发送和接收数据，而不需要等待对方的请求或响应。
• 持久连接： WebSocket 连接保持开放状态，避免了频繁的连接建立和关闭，降低了通信延迟。
• 低延迟： 由于连接一直开放，数据可以实时传输，满足实时性需求。
• 更少的数据开销： 与 HTTP 相比，WebSocket 连接只需要在握手阶段进行一次 HTTP 请求，减少了数据传输的开销。

1.2 WebSocket 与 HTTP 的关系

WebSocket 协议和 HTTP 协议之间有密切的关系，WebSocket 连接的建立需要通过 HTTP 握手来协商，其基本流程如下：

• 在握手阶段，客户端首先发送一个 HTTP 请求，并在请求报头中设置一个 Upgrade 字段，表示希望升级到WebSocket连接。
• 服务器在确认后，返回一个 HTTP 响应，即将协议切换为 WebSocket 协议，此时就表示升级成功了。
• 此后，连接从 HTTP 协议升级为 WebSocket 协议，实现了全双工、数据实时通信。

下图展示了建立 WebSocket 连接的基本过程：

1.3 WebSocket 握手的过程

WebSocket 的握手是指在建立 WebSocket 连接时，客户端和服务器之间通过 HTTP 协议进行交互，以协商升级连接到 WebSocket 协议。WebSocket的握手过程允许服务器和客户端确认其支持WebSocket协议，并进行连接的升级。

以下是 WebSocket 握手的基本步骤：

1. 客户端发送握手请求： 客户端通过发送一个 HTTP 请求来启动 WebSocket 握手。这个请求中需要包含一些特定的头部字段，以及用于安全验证的 Sec-WebSocket-Key 字段。

示例请求头部：

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

2. 服务器响应握手： 服务器接收到握手请求后，会验证 Sec-WebSocket-Key 字段，并生成一个响应密钥。如果验证通过，服务器会返回一个 HTTP 响应，表示升级到 WebSocket 协议。

示例响应头部：

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

3. 连接升级： 一旦客户端收到服务器的响应，表示握手成功。此时连接会从HTTP协议升级到WebSocket协议，客户端和服务器可以开始在同一个连接上进行实时的双向通信。

需要注意的是，Sec-WebSocket-Key 和 Sec-WebSocket-Accept 字段的计算是基于一种安全验证的机制。Sec-WebSocket-Key 是客户端随机生成的一个字符串，服务器会使用这个字符串进行一定的计算，然后生成Sec-WebSocket-Accept字段，以确保握手请求的合法性。

WebSocket 握手过程的成功完成意味着客户端和服务器之间已经建立了一个 WebSocket 连接，双方可以在这个连接上进行实时的数据传输。握手是 WebSocket 通信的起始点，之后的数据交换将遵循 WebSocket 的数据帧格式进行。

1.4 WebSocket 解决了什么问题

WebSocket 协议解决了传统 HTTP 协议在实时性、延迟和数据开销等方面存在的问题。通过保持持久性连接和全双工通信，WebSocket 协议实现了实时数据的传输，适用于需要及时通知和数据更新的应用，如：

• 即时聊天应用，用户能够实时收到新消息。
• 实时游戏，玩家可以同时看到其他玩家的动作。
• 股票市场监控，投资者能够及时了解股价变动。

总之，WebSocket 协议弥补了 HTTP 协议在实时性通信方面的不足，为实时应用提供了高效、低延迟的解决方案。在接下来的内容中，我们将深入探讨 WebSocket 协议的数据格式以及在 Spring Boot 项目中的应用。

二、WebSocket 数据帧格式

2.1 WebSocket 数据帧格式图示

2.2 各字段的详细说明

WebSocket协议的数据帧格式是用于在WebSocket连接上传输数据的基本单位。每个数据帧包含了控制信息和有效负载（Payload Data）。以下是WebSocket数据帧的格式及其各个字段的详细说明：

• FIN (1 bit)：表示消息是否是最后一个数据帧。若为1，则表示是消息的最后一个帧；若为0，则还有后续数据帧。

• RSV1, RSV2, RSV3 (各占 1 bit)：保留位，通常设置为0，用于未来的扩展。

• Opcode (4 bits)：指定数据帧的类型。常见的类型有：

  • 0x0：表示数据帧是一个连续帧。
  • 0x1：表示数据帧是文本帧。
  • 0x2：表示数据帧是二进制帧。
  • 0x8：表示连接关闭帧。
  • 0x9：表示Ping帧，用于心跳检测。
  • 0xA：表示Pong帧，作为对Ping的响应。
  • 其他值为保留或用于扩展。

• MASK (1 bit)：表示Payload Data是否经过掩码加密。客户端发送给服务器的数据帧需要加密，所以MASK位为1。

• Payload length (7 bits, 7+16 bits, 或 7+64 bits)：表示Payload Data的长度。

  • 若值在0~125之间，表示Payload Data的实际长度。
  • 若值为126，则表示后续的16 bits为无符号整数，用于表示Payload Data的长度。
  • 若值为127，则表示后续的64 bits为无符号整数，用于表示Payload Data的长度。

• Extended payload length (16或64 bits)：仅在Payload length为126或127时出现，用于表示实际的Payload Data长度。

• Masking-key (32 bits)：仅在MASK位为1时出现，用于解码Payload Data。Masking-key是一个32位的随机数。

• Payload Data：有效负载数据。如果MASK位为1，则需要对Payload Data进行掩码解密，使用Masking-key进行解码。

WebSocket数据帧的格式允许在同一个连接上传输不同类型的数据，并且可以通过掩码保护数据的安全性。不同的Opcode类型用于标识数据的用途，例如文本数据、二进制数据、连接关闭、心跳检测等。

三、SpringBoot 项目中引入 WebSocket

3.1 创建 Spring Boot 项目并引入 WebSocket 依赖

引入 WebSocket 依赖非常简单，只需要在创建 SpringBoot 项目的时候，勾选上 WebSocket 就行了：

3.2 继承 TextWebSocketHandler 类

要使用 WebSocket 的相关功能，需要继承 TextWebSocketHandler 类来实现我们自己的 MyWebSocketHandler 类，我创建了一个websocket包，在里面建立一个类 MyWebSocketHandler：

然后需要重写里面的方法。这里我重新了四个方法：

这四个方法分别代表的含义：

1. afterConnectionEstablished 方法：在WebSocket连接成功建立后被自动调用。

2. handleTextMessage 方法：在WebSocket接收到文本消息时被自动调用。常常用于收到的消息进行转发。

3. handleTransportError 方法：在连接出现异常时被自动调用。

4. afterConnectionClosed 方法：在连接正常关闭后被自动调用。

通过实现这些方法，可以控制 WebSocket 连接的行为，包括连接的建立、消息的处理、异常的处理以及连接的关闭。这使得我们能够在应用中实现 WebSocket 通信的各种逻辑。

WebSocket 代码样例：

此处只是对连接建立、收到的消息、连接断开、异常等进行了简单的打印操作。

@Service
public class MyWebSocketHandler extends TextWebSocketHandler {/*** 这个方法会在 WebSocket 连接成功后，被自动调用** @param session WebSocket 连接中对应的会话* @throws Exception 异常信息*/@Overridepublic void afterConnectionEstablished(WebSocketSession session) throws Exception {System.out.println("TestWebSocketComponent 连接成功！");}/*** 这个方法会在 WebSocket 收到消息的时候，被自动调用** @param session WebSocketSession* @param message 收到消息的值* @throws Exception 异常信息*/@Overrideprotected void handleTextMessage(WebSocketSession session, TextMessage message) throws Exception {System.out.println("TestWebSocketComponent 收到消息！" + message.toString());// session 是一个会话，其中记录了通信双方是谁（session 中就持有了 WebSocket 的通信连接）session.sendMessage(message);}/*** 这个方法会在连接出现异常的时候，被自动调用** @param session   WebSocketSession* @param exception 异常信息* @throws Exception 异常信息*/@Overridepublic void handleTransportError(WebSocketSession session, Throwable exception) throws Exception {System.out.println("TestWebSocketComponent 连接异常了！");}/*** 这个方法会在连接正常关闭后，被自动调用** @param session WebSocketSession* @param status  关闭的状态* @throws Exception 异常信息*/@Overridepublic void afterConnectionClosed(WebSocketSession session, CloseStatus status) throws Exception {System.out.println("TestWebSocketComponent 连接关闭！");}
}

3.3 配置资源路径

要想使我们刚才创建的 MyWebSocketHandler 能够在建立 WebSocket 连接之后能够被调用，还需要对其进行配置，即注册该类与资源路径的映射关系。

1. 首先创建一个 config包，然后在里面创建一个类 WebSocketConfig。
   
2. 这个类需要实现 WebSocketConfigurer 接口，并重写 registerWebSocketHandlers 方法。

注意，需要添加 @Configuration 表示其是一个配置类，并且储存到 Spring 中；另外还需添加 @EnableWebSocket 注解，表示启用WebSocket 支持，使应用能够处理 WebSocket 连接。

@Configuration
@EnableWebSocket 
public class WebSocketConfig implements WebSocketConfigurer {/*** 通过这个方法，把刚才创建好的 Handler 类注册到具体的路径中** @param registry WebSocketHandlerRegistry*/@Overridepublic void registerWebSocketHandlers(WebSocketHandlerRegistry registry) {}
}

3. 最后将刚才的 MyWebSocketHandler 与一个具体的请求路径关联。

@Configuration
@EnableWebSocket
public class WebSocketConfig implements WebSocketConfigurer {@Autowiredprivate MyWebSocketHandler myWebSocketHandler;/*** 通过这个方法，把刚才创建好的 Handler 类注册到具体的路径中** @param registry WebSocketHandlerRegistry*/@Overridepublic void registerWebSocketHandlers(WebSocketHandlerRegistry registry) {// 当浏览器通过 WebSocket 请求的路径是 '/test' 的时候，就会调用到 MyWebSocketHandler 这个类中的方法registry.addHandler(myWebSocketHandler, "/test");}
}

当建立了 WebSocket 连接并且请求的路径是 /test 的时候，就会调用到 MyWebSocketHandler 这个类中的方法。通过这个配置，将WebSocket 的处理逻辑和路径连接起来，使得 WebSocket 连接能够在应用中得到正确处理和响应。

3.4 前端代码

编写一个用于测试 WebSocket 连接的简单前端页面：

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head><meta charset="UTF-8"><meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0"><title>测试 WebSocket 的使用</title>
</head>
<body><input type="text" id="message"><button id="send-button">发送</button><script>// 创建一个 WebSocket 实例，连接到服务器的 /test 路径let websocket = new WebSocket("ws://localhost:8081/test");// WebSocket 连接建立成功的回调函数websocket.onopen = function () {console.log("WebSocket 连接成功！");}// WebSocket 收到消息的回调函数websocket.onmessage = function (message) {console.log("WebSocket 收到消息：" + message.data);}// WebSocket 连接断开的回调函数websocket.onclose = function () {console.log("WebSocket 连接断开！");}// WebSocket 连接异常的回调函数websocket.onerror = function () {console.log("WebSocket 连接异常！");}// 获取页面元素let messageInput = document.querySelector("#message");let sendButton = document.querySelector('#send-button');// 发送按钮的点击事件sendButton.onclick = function(){console.log("WebSocket 发送消息：" + messageInput.value);websocket.send(messageInput.value); // 向服务器发送消息}</script>
</body>
</html>

这段代码创建了一个简单的 HTML 页面，其中包含一个输入框、一个发送按钮和一些用于 WebSocket 连接的 JavaScript 代码。具体来说：

• 页面加载时，JavaScript 代码创建了一个 WebSocket 实例，连接到了ws://localhost:8081/test路径。这与之前在WebSocketConfig中注册的路径相对应。
• 设置了 WebSocket 的各种回调函数，分别处理连接建立、消息接收、连接断开和连接异常时的情况。
• 当用户在输入框中输入文本并点击发送按钮时，JavaScript代码会使用websocket.send(messageInput.value)将用户输入的消息发送给服务器。

这个前端页面用于与之前创建的 WebSocket 处理器进行通信，可以在浏览器中打开这个页面，然后在控制台中观察 WebSocket 连接状态和消息传输情况。

3.5 运行演示

启动SpringBoot项目，在浏览器中通过 http://localhost:8081/test.html进行访问：

此时可以发现成功建立了 WebSocket 连接，并且可以通过抓包观察请求和响应。

下面是在建立 WebSocket 连接时，通过 Fiddle 抓包获取到的具体请求和响应：

请求：

响应：

页面中输入 “hello world”，然后发送：

此时可以看到，前端页面中成功通过 WebSocket 发送了消息。

后端输出：

发现此时后端也成功收到了刚才发送的消息。后续就可以将这个收到的消息进行转发，从而实现实时通信了。