WebSocket底层原理及 java 应用

WebSocket 底层原理

1. WebSocket 协议的基本原理

WebSocket 是一个在客户端和服务器之间建立持久、全双工的连接的协议。与传统的 HTTP 请求/响应模型不同,WebSocket 允许客户端和服务器双方通过一个持久的连接进行双向通信。

1.1 WebSocket 握手过程

WebSocket 握手是一个基于 HTTP 的协议升级过程。以下是详细步骤:

  1. 客户端发起请求
    客户端向服务器发送一个 HTTP 请求,包含一个 Upgrade 头部,表明想要将连接从 HTTP 协议切换到 WebSocket 协议。

    示例请求:

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

    关键字段:

    • Upgrade:请求将协议切换为 WebSocket。
    • Sec-WebSocket-Key:客户端生成的一个随机 Base64 编码值,用于验证服务器响应。
    • Sec-WebSocket-Version:WebSocket 协议的版本号。
  2. 服务器回应
    服务器收到请求后,如果支持 WebSocket 协议并同意建立连接,会返回一个 HTTP 101 状态码,表示协议升级成功。

    示例响应:

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

    关键字段:

    • Sec-WebSocket-Accept:通过将客户端发送的 Sec-WebSocket-Key 与特定的 GUID 进行处理,计算出的一个值,用于确认客户端的请求是否合法。
  3. 连接建立后,数据交换
    一旦握手完成,客户端和服务器之间就建立了一个持久的 WebSocket 连接,双方可以在该连接上任意时刻发送和接收消息。这个过程基于 WebSocket 数据帧(Frame)进行。

    WebSocket 数据帧:

    • 每个数据帧包含一个固定的头部,之后是数据内容(例如文本消息、二进制数据)。
    • 数据帧的头部包含了帧的类型、数据长度、是否加密等信息。
1.2 WebSocket 数据传输

WebSocket 使用帧(Frame)来传输数据。每个数据帧的格式如下:

字段长度描述
FIN, RSV1-31 Byte控制位,表示数据帧是否结束以及是否有扩展数据
Opcode1 Byte操作码,标识帧的类型(如文本帧、二进制帧等)
Mask1 Byte是否启用了掩码(客户端必须启用掩码)
Payload Length1-8 Bytes数据帧的长度(实际有效数据长度)
Masking-Key4 Bytes客户端发送数据时的掩码密钥(如果 Mask 为 1)
Payload DataN Bytes数据帧的实际数据
  • 文本数据:对于文本数据,WebSocket 使用 UTF-8 编码进行传输。
  • 二进制数据:WebSocket 也支持二进制数据传输,例如图像文件、音频流等。

1.3 客户端和服务器的双向通信

  • 客户端到服务器:客户端可以通过 send() 方法将数据发送到服务器。
  • 服务器到客户端:服务器通过 WebSocket 会话(Session)发送消息。

这种全双工通信模型保证了客户端和服务器之间能够即时、连续地交换数据,消除了 HTTP 的请求/响应延迟。


Java 使用 WebSocket 示例

2.1 WebSocket 服务端代码

我们可以使用 Java 进行 WebSocket 服务端开发。Java EE 提供了 @ServerEndpoint 注解来标识 WebSocket 端点,接收和发送消息。

以下是一个简单的 WebSocket 服务端示例:

2.1.1 服务端代码(ChatServer.java)
import javax.websocket.*;
import javax.websocket.server.ServerEndpoint;
import java.io.IOException;@ServerEndpoint("/chat")
public class ChatServer {// 当客户端连接时调用@OnOpenpublic void onOpen(Session session) {System.out.println("Client connected: " + session.getId());}// 当接收到客户端的消息时调用@OnMessagepublic void onMessage(String message, Session session) {System.out.println("Message received: " + message);try {// 向客户端发送消息session.getBasicRemote().sendText("Echo: " + message);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}// 当客户端断开连接时调用@OnClosepublic void onClose(Session session) {System.out.println("Client disconnected: " + session.getId());}// 当发生错误时调用@OnErrorpublic void onError(Session session, Throwable throwable) {System.out.println("Error occurred: " + throwable.getMessage());throwable.printStackTrace();}
}
2.1.2 配置与部署

要使 WebSocket 服务端正常运行,需要在 web.xml 中配置 WebSocket 端点。

<servlet><servlet-name>WebSocketServlet</servlet-name><servlet-class>org.glassfish.tyrus.servlet.TyrusServlet</servlet-class>
</servlet><servlet-mapping><servlet-name>WebSocketServlet</servlet-name><url-pattern>/chat/*</url-pattern>
</servlet-mapping>

这将使得客户端可以通过 /chat 路径与服务器建立连接。

2.2 WebSocket 客户端代码

Java WebSocket 客户端可以通过 WebSocketContainer 创建与服务器的连接,发送和接收消息。

2.2.1 客户端代码(ChatClient.java)
import javax.websocket.*;
import java.net.URI;@ClientEndpoint
public class ChatClient {private Session session;public void connectToServer() {try {WebSocketContainer container = ContainerProvider.getWebSocketContainer();container.connectToServer(this, new URI("ws://localhost:8080/chat"));} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}@OnOpenpublic void onOpen(Session session) {System.out.println("Connected to server: " + session.getId());this.session = session;}@OnMessagepublic void onMessage(String message) {System.out.println("Received message: " + message);}@OnClosepublic void onClose() {System.out.println("Disconnected from server");}@OnErrorpublic void onError(Throwable error) {error.printStackTrace();}public void sendMessage(String message) {try {session.getBasicRemote().sendText(message);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) {ChatClient client = new ChatClient();client.connectToServer();client.sendMessage("Hello, WebSocket server!");}
}

2.3 运行 WebSocket 服务

  1. 启动服务器并运行 ChatServer.java
  2. 启动客户端 ChatClient.java,客户端将连接到服务端并发送消息。
  3. 服务端将接收到的消息原样返回。

前后端基于 WebSocket 的答题游戏开发示例

我们可以用 WebSocket 实现一个简单的答题游戏,其中客户端向服务器发送答案,服务器根据答案判断是否正确,并实时更新得分。

3.1 游戏流程

  1. 客户端:显示问题并接收用户输入的答案。
  2. 服务器端:接收答案并返回是否正确,更新得分。
  3. 实时反馈:每个用户的得分通过 WebSocket 即时反馈给客户端。

3.2 游戏前后端实现

3.2.1 服务端实现(GameServer.java)
import javax.websocket.*;
import javax.websocket.server.ServerEndpoint;
import java.io.IOException;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;@ServerEndpoint("/game")
public class GameServer {// 存储所有连接的玩家会话private static final CopyOnWriteArrayList<Session> players = new CopyOnWriteArrayList<>();@OnOpenpublic void onOpen(Session session) {players.add(session);System.out.println("New player connected: " + session.getId());}@OnMessagepublic void onMessage(String message, Session session) {System.out.println("Received answer: " + message);// 假设问题的正确答案是 "42"String response = message.equals("42") ? "Correct!" : "Wrong!";try {session.getBasicRemote().sendText(response);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}@OnClosepublic void onClose(Session session) {players.remove(session);System.out.println("Player disconnected: " + session.getId());}@OnErrorpublic void onError(Throwable error) {error.printStackTrace();}
}
3.2.2 客户端实现(GameClient.html)

前端使用简单的 HTML 和 JavaScript 通过 WebSocket 与后端进行通信。

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head><meta charset="UTF-8"><title>答题游戏</title><script>var socket;function connect() {socket = new WebSocket("ws://localhost:8080/game");socket.onopen = function () {console.log("Connected to server");};socket.onmessage = function (event) {document.getElementById("response").innerText = event.data;};socket.onclose = function () {console.log("Disconnected from server");};}function sendAnswer() {var answer = document.getElementById("answer").value;socket.send(answer);}</script>
</head>
<body onload="connect()"><h1>答题游戏</h1><p>问题:是什么是答案?</p><input type="text" id="answer" placeholder="输入你的答案"><button onclick="sendAnswer()">提交</button><p id="response"></p>
</body>
</html>

3.3 游戏流程

  1. 客户端:加载 HTML 页面,连接到 WebSocket 服务器。
  2. 客户端输入答案并点击提交。
  3. 服务器:判断答案是否正确并返回反馈。
  4. 客户端:接收反馈并显示给玩家。

总结

通过 WebSocket,Java 可以高效地实现实时通信。在实际应用中,WebSocket 适用于那些需要双向、低延迟通信的场景,比如实时游戏、聊天应用、实时数据监控等。通过结合前后端的 WebSocket 使用,我们可以快速开发出高互动、低延迟的应用。

这个简单的答题游戏示例展示了如何使用 WebSocket 实现前后端实时数据交换。在实际项目中,你可以扩展更多功能,例如计时器、多人游戏、动态问题和答案等。

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