.NET Core 实现基于Websocket的在线聊天室

什么是Websocket

我们在传统的客户端程序要实现实时双工通讯第一想到的技术就是socket通讯，但是在web体系是用不了socket通讯技术的，因为http被设计成无状态，每次跟服务器通讯完成后就会断开连接。
在没有websocket之前web系统如果要做双工通讯往往使用http long polling技术。http long polling 每次往服务器发送请求后，服务端不会立刻返回信息来结束请求，而是一直挂着直到有数据需要返回，或者等待超时了才会返回。客户端在结束上一次请求后立刻再发送一次请求，如此反复。http long polling虽然能实现web系统的双工通讯，但是有个很大的问题，就是基于http协议客户端每次发送请求都需要携带巨大的头部。在并发交互少量数据的时候非常不划算，对服务器资源的消耗也是巨大的。
websocket很好的改善了以上问题。它基于tcp重新设计了一套协议，同时又兼容http，默认跟http一样使用80/443端口。websocket链接建立本质上就是一次http请求，直接使用http协议的upgrade头来标识这是一次websocket请求，服务端回复101状态码表示“握手”成功。

//客户端请求
GET / HTTP/1.1
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Host: example.com
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Key: sN9cRrP/n9NdMgdcy2VJFQ==
Sec-WebSocket-Version: 13
//服务端响应
HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: fFBooB7FAkLlXgRSz0BT3v4hq5s=
Sec-WebSocket-Location: ws://example.com/

使用asp.net core来处理websocket

上面我们简单的了解了websocket，那么如何来使用asp.net core处理websocket呢？因为websocket的握手就是一次http请求，那么我们就可以使用一个middleware来拦截websocket的请求，把建立的链接统一进行管理，其实微软已经帮我们简单的封装过了。

新建一个asp.net core网站

新建WebsocketHandlerMiddleware中间件

这个中间件就是我们管理websocket链接的入口，我们调用context.WebSockets.AcceptWebSocketAsync()方法把请求转换为websocket链接。

在Invoke方法内接收websocket链接

      public async Task Invoke(HttpContext context){if (context.Request.Path == "/ws"){if (context.WebSockets.IsWebSocketRequest){WebSocket webSocket = await context.WebSockets.AcceptWebSocketAsync();string clientId = Guid.NewGuid().ToString(); ;var wsClient = new WebsocketClient{Id = clientId,WebSocket = webSocket};try{await Handle(wsClient);}catch (Exception ex){_logger.LogError(ex, "Echo websocket client {0} err .", clientId);await context.Response.WriteAsync("closed");}}else{context.Response.StatusCode = 404;}}else{await _next(context);}}

在Hanle方法等待客户端的消息

        private async Task Handle(WebsocketClient webSocket){WebsocketClientCollection.Add(webSocket);_logger.LogInformation($"Websocket client added.");WebSocketReceiveResult result = null;do{var buffer = new byte[1024 * 1];result = await webSocket.WebSocket.ReceiveAsync(new ArraySegment<byte>(buffer), CancellationToken.None);if (result.MessageType == WebSocketMessageType.Text && !result.CloseStatus.HasValue){var msgString = Encoding.UTF8.GetString(buffer);_logger.LogInformation($"Websocket client ReceiveAsync message {msgString}.");var message = JsonConvert.DeserializeObject<Message>(msgString);message.SendClientId = webSocket.Id;MessageRoute(message);}}while (!result.CloseStatus.HasValue);WebsocketClientCollection.Remove(webSocket);_logger.LogInformation($"Websocket client closed.");}

在MessageRoute方法内对客户端的消息进行转发

对客户端的消息定义几个标准的action，对不同的action进行特定的处理，比如加入房间、离开房间、在房间内广播消息等。

private void MessageRoute(Message message){var client = WebsocketClientCollection.Get(message.SendClientId);switch (message.action){case "join":client.RoomNo = message.msg;client.SendMessageAsync($"{message.nick} join room {client.RoomNo} success .");_logger.LogInformation($"Websocket client {message.SendClientId} join room {client.RoomNo}.");break;case "send_to_room":if (string.IsNullOrEmpty(client.RoomNo)){break;}var clients = WebsocketClientCollection.GetRoomClients(client.RoomNo);clients.ForEach(c =>{c.SendMessageAsync(message.nick + " : " + message.msg);});_logger.LogInformation($"Websocket client {message.SendClientId} send message {message.msg} to room {client.RoomNo}");break;case "leave":var roomNo = client.RoomNo;client.RoomNo = "";client.SendMessageAsync($"{message.nick} leave room {roomNo} success .");_logger.LogInformation($"Websocket client {message.SendClientId} leave room {roomNo}");break;default:break;}}

新建WebsocketClientCollection管理类

这个类是个容器，用来存放所有的websocket链接，便于统一管理。

    public class WebsocketClientCollection{private static List<WebsocketClient> _clients = new List<WebsocketClient>();public static void Add(WebsocketClient client){_clients.Add(client);}public static void Remove(WebsocketClient client){_clients.Remove(client);}public static WebsocketClient Get(string clientId){var client = _clients.FirstOrDefault(c=>c.Id == clientId);return client;}public static List<WebsocketClient> GetRoomClients(string roomNo){var client = _clients.Where(c => c.RoomNo == roomNo);return client.ToList();}}

在Startup中使用中间件

有了上面的中间件，我们需要use一下。

  app.UseWebSockets(new WebSocketOptions{KeepAliveInterval = TimeSpan.FromSeconds(60),ReceiveBufferSize = 1* 1024});app.UseMiddleware<WebsocketHandlerMiddleware>();

到此我们的服务端基本完成了，下面进行客户端html跟JavaScript的编写。

编写客户端界面

修改index.cshtml来实现一个简单的聊天室ui。

<div style="margin-bottom:5px;">room no: <input type="text"  id="txtRoomNo" value="8888"/> <button id="btnJoin">join room</button> <button id="btnLeave">leave room</button>
</div>
<div style="margin-bottom:5px;">nick name: <input type="text" id="txtNickName" value="batman" /> 
</div>
<div style="height:300px;width:600px"><textarea style="height:100%;width:100%" id="msgList"></textarea><div style="text-align: right"><input type="text" id="txtMsg" value="" />  <button id="btnSend">send</button></div>
</div>

使用JavaScript来处理websocket链接及消息

现代浏览器已经都支持websocket协议，JavaScript运行时内置了WebSocket类，我们仅仅需要new一个Websocket对象出来就可以对websocket进行操作。

var server = 'ws://localhost:5000'; //如果开启了https则这里是wss
var WEB_SOCKET = new WebSocket(server + '/ws');
WEB_SOCKET.onopen = function (evt) {console.log('Connection open ...');$('#msgList').val('websocket connection opened .');
};
WEB_SOCKET.onmessage = function (evt) {console.log('Received Message: ' + evt.data);if (evt.data) {var content = $('#msgList').val();content = content + '\r\n' + evt.data;$('#msgList').val(content);}
};
WEB_SOCKET.onclose = function (evt) {console.log('Connection closed.');
};
$('#btnJoin').on('click', function () {var roomNo = $('#txtRoomNo').val();var nick = $('#txtNickName').val();if (roomNo) {var msg = {action: 'join',msg: roomNo,nick: nick};WEB_SOCKET.send(JSON.stringify(msg));}
});
$('#btnSend').on('click', function () {var message = $('#txtMsg').val();var nick = $('#txtNickName').val();if (message) {WEB_SOCKET.send(JSON.stringify({action: 'send_to_room',msg: message,nick: nick}));}
});
$('#btnLeave').on('click', function () {var nick = $('#txtNickName').val();var msg = {action: 'leave',msg: '',nick: nick};WEB_SOCKET.send(JSON.stringify(msg));
});