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WebSocket底层原理及 java 应用

article 2025/1/8 18:49:18

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
    @OnOpen
    public void onOpen(Session session) {
        System.out.println("Client connected: " + session.getId());
    }

    // 当接收到客户端的消息时调用
    @OnMessage
    public 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
    @OnClose
    public void onClose(Session session) {
        System.out.println("Client disconnected: " + session.getId());
    }

    // 当发生错误时调用
    @OnError
    public 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();
        }
    }

    @OnOpen
    public void onOpen(Session session) {
        System.out.println("Connected to server: " + session.getId());
        this.session = session;
    }

    @OnMessage
    public void onMessage(String message) {
        System.out.println("Received message: " + message);
    }

    @OnClose
    public void onClose() {
        System.out.println("Disconnected from server");
    }

    @OnError
    public 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<>();

    @OnOpen
    public void onOpen(Session session

) {
        players.add(session);
        System.out.println("New player connected: " + session.getId());
    }

    @OnMessage
    public 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();
        }
    }

    @OnClose
    public void onClose(Session session) {
        players.remove(session);
        System.out.println("Player disconnected: " + session.getId());
    }

    @OnError
    public 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。


http://www.kler.cn/a/470467.html

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