https://blog.csdn.net/hry2015/article/details/79829616

WebSocket的诞生的背景、运行机制和抓包分析

Websocket诞生的背景

对于需要实时响应、高并发的应用，传统的请求-响应模式的 Web的效率不是很好。在处理此类业务场景时，通常采用的方案有:

  • 轮询,此方法容易浪费带宽，效率低下
  • 基于 Flash，AdobeFlash 通过自己的 Socket 实现完成数据交换，再利用 Flash 暴露出相应的接口为 JavaScript 调用，从而达到实时传输目的。但是现在flash没落了，此方法不好用
  • MQTT，Comet 开源框架，这些技术在大流量的情况，效果不是很好

  • 在此背景下， HTML5规范中的(有 Web TCP 之称的) WebSocket ，就是一种高效节能的双向通信机制来保证数据的实时传输。

    WebSocket 运行机制

    WebSocket 是 HTML5 一种新的协议。它建立在 TCP 之上，实现了客户端和服务端全双工异步通信.

    单工、半双工和全双工的定义

  • 单工：如果在通信过程的任意时刻，信息只能由一方A传到另一方B，则称为单工。

  • 半双工：如果在任意时刻，信息既可由A传到B，又能由B传A，但只能由一个方向上的传输存在，称为半双工传输。
  • 全双工：如果在任意时刻，线路上存在A到B和B到A的双向信号传输，则称为全双工。
    • 电话线就是二线全双工信道。 由于采用了回波抵消技术，双向的传输信号不致混淆不清。双工信道有时也将收、发信道分开，采用分离的线路或频带传输相反方向的信号，如回线传输。

WebSocket和 HTTP 最大不同是：

  • WebSocket 是一种双向通信协议，WebSocket 服务器和 Browser/Client Agent 都能主动的向对方发送或接收数据；
  • WebSocket 需要类似 TCP 的客户端和服务器端通过握手连接，连接成功后才能相互通信。

传统 HTTP 请求响应客户端服务器交互图
SpringBoot WebScoket - 图1
WebSocket 请求响应客户端服务器交互图
SpringBoot WebScoket - 图2

对比上面两图，相对于传统 HTTP 每次请求-应答都需要客户端与服务端建立连接的模式，WebSocket 一旦 WebSocket 连接建立后，后续数据都以帧序列的形式传输。在客户端断开 WebSocket 连接或 Server 端断掉连接前，不需要客户端和服务端重新发起连接请求，这样保证websocket的性能优势，实时性优势明显

WebSocket抓包分析

我们再通过客户端和服务端交互的报文看一下 WebSocket 通讯与传统 HTTP 的不同：

WebSocket 客户连接服务端端口，执行双方握手过程，客户端发送数据格式类似：

请求 ：
**
SpringBoot WebScoket - 图3

  • “Upgrade：websocket”参数值表明这是 WebSocket 类型请求
  • “Sec-WebSocket-Key”是 WebSocket 客户端发送的一个 base64 编码的密文，要求服务端必须返回一个对应加密的“Sec-WebSocket-Accept”应答，否则客户端会抛出“Error during WebSocket handshake”错误，并关闭连接。

响应：服务端收到报文后返回的数据格式类似：

SpringBoot WebScoket - 图4

  • “Sec-WebSocket-Accept”的值是服务端采用与客户端一致的密钥计算出来后返回客户端的
  • “HTTP/1.1 101” : Switching Protocols”表示服务端接受 WebSocket 协议的客户端连接，经过这样的请求-响应处理后，客户端服务端的 WebSocket 连接握手成功, 后续就可以进行 TCP 通讯了

    WebSocket 的应用场景、服务端和浏览器的版本要求

    使用websocket的场景

    客户端和服务器需要以高频率和低延迟交换事件。 对时间延迟都非常敏感，并且还需要以高频率交换各种各样的消息

服务端和浏览器的版本要求

WebSocket 服务端在各个主流应用服务器厂商中已基本获得符合 JEE JSR356 标准规范 API 的支持。当前支持websocket的版本:Tomcat 7.0.47+, Jetty 9.1+, GlassFish 4.1+, WebLogic 12.1.3+, and Undertow 1.0+ (and WildFly 8.0+).

浏览器的支持版本：
查看所有支持websocket浏览器的连接：
SpringBoot WebScoket - 图5

Spring 内嵌的简单消息代理 和 消息流程图

Simple Broker

Spring 内置简单消息代理。这个代理处理来自客户端的订阅请求，将它们存储在内存中，并将消息广播到具有匹配目标的连接客户端

消息流程图

下图是使用简单消息代理的流程图
SpringBoot WebScoket - 图6
上图3个消息通道说明如下：

  • “clientInboundChannel” — 用于传输从webSocket客户端接收的消息 
  • “clientOutboundChannel” — 用于传输向webSocket客户端发送的消息
  • “brokerChannel” — 用于传输从服务器端应用程序代码向消息代理发送消息

    在Spring boot中集成websocket，并介绍stomp、sockjs的用法

    pom.xml

  1. <!-- 引入 websocket 依赖类-->
  2. <dependency>
  3.     <groupId>org.springframework.boot</groupId>
  4.     <artifactId>spring-boot-starter-websocket</artifactId>
  5. </dependency>

POJO类

RequestMessage： 浏览器向服务端请求的消息

  1. public class RequestMessage {
  2.    private String name;
  3. // set/get略
  4. }

ResponseMessage: 服务端返回给浏览器的消息

  1. public class ResponseMessage {
  2.    private String responseMessage;
  3. // set/get略
  4. }

BroadcastCtl

此类是@Controller类

  • broadcastIndex()方法：使用 @RequestMapping转到的页面
  • broadcast()方法上的注解说明
    • @MessageMapping：指定要接收消息的地址，类似@RequestMapping
    • @SendTo默认消息将被发送到与传入消息相同的目的地，但是目的地前面附加前缀（默认情况下为“/topic”}

@Controller
public class BroadcastCtl {
private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(BroadcastCtl.class);

  1. // 收到消息记数
  2. private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
  4. /**
  5.  * @MessageMapping 指定要接收消息的地址，类似@RequestMapping。除了注解到方法上，也可以注解到类上
  6.  * @SendTo默认 消息将被发送到与传入消息相同的目的地
  7.  * 消息的返回值是通过{@link org.springframework.messaging.converter.MessageConverter}进行转换
  8.  * @param requestMessage
  9.  * @return
  10.  */
  11. @MessageMapping("/receive")
  12. @SendTo("/topic/getResponse")
  13. public ResponseMessage broadcast(RequestMessage requestMessage){
  14.     logger.info("receive message = {}" , JSONObject.toJSONString(requestMessage));
  15.     ResponseMessage responseMessage = new ResponseMessage();
  16.     responseMessage.setResponseMessage("BroadcastCtl receive [" + count.incrementAndGet() + "] records");
  17.     return responseMessage;
  18. }
  20. @RequestMapping(value="/broadcast/index")
  21. public String broadcastIndex(HttpServletRequest req){
  22.     System.out.println(req.getRemoteHost());
  23.     return "websocket/simple/ws-broadcast";
  24. }

}
5.4. WebSocketMessageBrokerConfigurer
配置消息代理，默认情况下使用内置的消息代理。
类上的注解@EnableWebSocketMessageBroker：此注解表示使用STOMP协议来传输基于消息代理的消息，此时可以在@Controller类中使用@MessageMapping

在方法registerStompEndpoints()里addEndpoint方法：添加STOMP协议的端点。这个HTTP URL是供WebSocket或SockJS客户端访问的地址;withSockJS：指定端点使用SockJS协议
在方法configureMessageBroker()里设置简单消息代理，并配置消息的发送的地址符合配置的前缀的消息才发送到这个broker
@Configuration
// 此注解表示使用STOMP协议来传输基于消息代理的消息，此时可以在@Controller类中使用@MessageMapping
@EnableWebSocketMessageBroker
public class WebSocketMessageBrokerConfigurer extends AbstractWebSocketMessageBrokerConfigurer {

  1. @Override
  2. public void registerStompEndpoints(StompEndpointRegistry registry) {
  3.     /**
  4.      * 注册 Stomp的端点
  5.      * addEndpoint：添加STOMP协议的端点。这个HTTP URL是供WebSocket或SockJS客户端访问的地址
  6.      * withSockJS：指定端点使用SockJS协议
  7.       */
  8.     registry.addEndpoint("/websocket-simple")
  9.             .setAllowedOrigins("*") // 添加允许跨域访问
  10.             .withSockJS();
  11. }
  13. @Override
  14. public void configureMessageBroker(MessageBrokerRegistry registry) {
  15.     /**
  16.      * 配置消息代理
  17.      * 启动简单Broker，消息的发送的地址符合配置的前缀来的消息才发送到这个broker
  18.      */
  19.     registry.enableSimpleBroker("/topic","/queue");
  20. }
  22. @Override
  23. public void configureClientInboundChannel(ChannelRegistration registration) {
  24.     super.configureClientInboundChannel(registration);
  25. }

}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
5.5. 前端stomp、sockjs的配置
Stomp
websocket使用socket实现双工异步通信能力。但是如果直接使用websocket协议开发程序比较繁琐，我们可以使用它的子协议Stomp

SockJS
sockjs是websocket协议的实现，增加了对浏览器不支持websocket的时候的兼容支持
SockJS的支持的传输的协议有3类: WebSocket, HTTP Streaming, and HTTP Long Polling。默认使用websocket，如果浏览器不支持websocket，则使用后两种的方式。
SockJS使用”Get /info”从服务端获取基本信息。然后客户端会决定使用哪种传输方式。如果浏览器使用websocket，则使用websocket。如果不能，则使用Http Streaming，如果还不行，则最后使用 HTTP Long Polling

ws-broadcast.jsp
前端页面

引入相关的stomp.js、sockjs.js、jquery.js
1
2
3
4
5
6
前端访问websocket，重要代码说明如下：

var socket = new SockJS(‘/websocket-simple’)：websocket的连接地址，此值等于WebSocketMessageBrokerConfigurer中registry.addEndpoint(“/websocket-simple”).withSockJS()配置的地址
stompClient.subscribe(‘/topic/getResponse’, function(respnose){ … }): 客户端订阅消息的目的地址：此值和BroadcastCtl中的@SendTo(“/topic/getResponse”)注解的配置的值相同
stompClient.send(“/receive”, {}, JSON.stringify({ ‘name’: name })): 客户端消息发送的目的地址：服务端使用BroadcastCtl中@MessageMapping(“/receive”)注解的方法来处理发送过来的消息

  1. 介绍拦截器HandshakeInterceptor和ChannelInterceptor，并演示拦截器的用法
    我们可以为websocket配置拦截器，默认有两种：

HandshakeInterceptor：拦截websocket的握手请求。在服务端和客户端在进行握手时会被执行
ChannelInterceptor：拦截Message。可以在Message对被在发送到MessageChannel前后查看修改此值，也可以在MessageChannel接收MessageChannel对象前后修改此值
6.1. HandShkeInceptor
拦截websocket的握手请求。实现 接口 HandshakeInterceptor或继承类DefaultHandshakeHandler

HttpSessionHandshakeInterceptor：关于httpSession的操作，这个拦截器用来管理握手和握手后的事情，我们可以通过请求信息，比如token、或者session判用户是否可以连接，这样就能够防范非法用户
OriginHandshakeInterceptor：检查Origin头字段的合法性

自定义HandshakeInterceptor ：

@Component
public class MyHandShakeInterceptor implements HandshakeInterceptor {
@Override
public boolean beforeHandshake(ServerHttpRequest request, ServerHttpResponse response, WebSocketHandler wsHandler, Map attributes) throws Exception {
System.out.println(this.getClass().getCanonicalName() + “http协议转换websoket协议进行前, 握手前”+request.getURI());
// http协议转换websoket协议进行前，可以在这里通过session信息判断用户登录是否合法
return true;
}

  1. @Override
  2. public void afterHandshake(ServerHttpRequest request, ServerHttpResponse response, WebSocketHandler wsHandler, Exception ex) {
  3.     //握手成功后,
  4.     System.out.println(this.getClass().getCanonicalName() + "握手成功后...");
  5. }

}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
6.2. ChannelInterceptor
ChannelInterceptor：可以在Message对象在发送到MessageChannel前后查看修改此值，也可以在MessageChannel接收MessageChannel对象前后修改此值

在此拦截器中使用StompHeaderAccessor 或 SimpMessageHeaderAccessor访问消息

自定义ChannelInterceptorAdapter

@Component
public class MyChannelInterceptorAdapter extends ChannelInterceptorAdapter {

  1. @Autowired
  2. private SimpMessagingTemplate simpMessagingTemplate;
  4. @Override
  5. public boolean preReceive(MessageChannel channel) {
  6.     System.out.println(this.getClass().getCanonicalName() + " preReceive");
  7.     return super.preReceive(channel);
  8. }
  10. @Override
  11. public Message<?> preSend(Message<?> message, MessageChannel channel) {
  12.     System.out.println(this.getClass().getCanonicalName() + " preSend");
  13.     StompHeaderAccessor accessor = StompHeaderAccessor.wrap(message);
  14.     StompCommand command = accessor.getCommand();
  15.     //检测用户订阅内容（防止用户订阅不合法频道）
  16.     if (StompCommand.SUBSCRIBE.equals(command)) {
  17.         System.out.println(this.getClass().getCanonicalName() + " 用户订阅目的地=" + accessor.getDestination());
  18.         // 如果该用户订阅的频道不合法直接返回null前端用户就接受不到该频道信息
  19.         return super.preSend(message, channel);
  20.     } else {
  21.         return super.preSend(message, channel);
  22.     }
  24. }
  25. @Override
  26. public void afterSendCompletion(Message<?> message, MessageChannel channel, boolean sent, Exception ex) {
  27.     System.out.println(this.getClass().getCanonicalName() +" afterSendCompletion");
  28.     StompHeaderAccessor accessor = StompHeaderAccessor.wrap(message);
  29.     StompCommand command = accessor.getCommand();
  30.     if (StompCommand.SUBSCRIBE.equals(command)){
  31.         System.out.println(this.getClass().getCanonicalName() + " 订阅消息发送成功");
  32.         this.simpMessagingTemplate.convertAndSend("/topic/getResponse","消息发送成功");
  33.     }
  34.     //如果用户断开连接
  35.     if (StompCommand.DISCONNECT.equals(command)){
  36.         System.out.println(this.getClass().getCanonicalName() + "用户断开连接成功");
  37.             simpMessagingTemplate.convertAndSend("/topic/getResponse","{'msg':'用户断开连接成功'}");
  38.     }
  40.     super.afterSendCompletion(message, channel, sent, ex);
  41. }

}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
6.3. 在WebSocketMessageBrokerConfigurer中配置拦截器
在registerStompEndpoints()方法中通过registry.addInterceptors(myHandShakeInterceptor)添加自定义HandShkeInceptor 拦截
在configureClientInboundChannel()方法中registration.setInterceptors(myChannelInterceptorAdapter)添加ChannelInterceptor拦截器
@Configuration
// 此注解表示使用STOMP协议来传输基于消息代理的消息，此时可以在@Controller类中使用@MessageMapping
@EnableWebSocketMessageBroker
public class WebSocketMessageBrokerConfigurer extends AbstractWebSocketMessageBrokerConfigurer {

  1. @Autowired
  2. private MyHandShakeInterceptor myHandShakeInterceptor;
  4. @Autowired
  5. private MyChannelInterceptorAdapter myChannelInterceptorAdapter;
  7. @Override
  8. public void registerStompEndpoints(StompEndpointRegistry registry) {
  9.     /**
  10.      * 注册 Stomp的端点
  11.      *
  12.      * addEndpoint：添加STOMP协议的端点。这个HTTP URL是供WebSocket或SockJS客户端访问的地址
  13.      * withSockJS：指定端点使用SockJS协议
  14.       */
  15.     registry.addEndpoint("/websocket-simple")
  16.             .setAllowedOrigins("*") // 添加允许跨域访问
  17.       //. setAllowedOrigins("http://mydomain.com");
  18.             .addInterceptors(myHandShakeInterceptor) // 添加自定义拦截
  19.             .withSockJS();
  20. }
  22. @Override
  23. public void configureClientInboundChannel(ChannelRegistration registration) {
  24.     ChannelRegistration channelRegistration = registration.setInterceptors(myChannelInterceptorAdapter);
  25.     super.configureClientInboundChannel(registration);
  26. }

}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
6.4. 测试：
和上个例子相同的方式进行测试，这里略

  1. @SendTo和@SendToUser用法和区别
    上文@SendTo会将消息推送到所有订阅此消息的连接，即订阅/发布模式。@SendToUser只将消息推送到特定的一个订阅者，即点对点模式

@SendTo：会将接收到的消息发送到指定的路由目的地，所有订阅该消息的用户都能收到，属于广播。
@SendToUser：消息目的地有UserDestinationMessageHandler来处理，会将消息路由到发送者对应的目的地, 此外该注解还有个broadcast属性，表明是否广播。就是当有同一个用户登录多个session时，是否都能收到。取值true/false.

7.1. BroadcastSingleCtl
此类上面的BroadcastCtl 大部分相似，下面只列出不同的地方
broadcast()方法：这里使用 @SendToUser注解

@Controller
public class BroadcastSingleCtl {
private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(BroadcastSingleCtl.class);

  1. // 收到消息记数
  2. private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
  4. // @MessageMapping 指定要接收消息的地址，类似@RequestMapping。除了注解到方法上，也可以注解到类上
  5. @MessageMapping("/receive-single")
  6. /**
  7.  * 也可以使用SendToUser，可以将将消息定向到特定用户
  8.  * 这里使用 @SendToUser，而不是使用 @SendTo
  9.  */
  10. @SendToUser("/topic/getResponse")
  11. public ResponseMessage broadcast(RequestMessage requestMessage){
  12.     ….
  13. }
  16. @RequestMapping(value="/broadcast-single/index")
  17. public String broadcastIndex(){
  18.     return "websocket/simple/ws-broadcast-single";
  19. }

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
7.2. 在WebSocketMessageBrokerConfigurer中配置
@Configuration
@MessageMapping
@EnableWebSocketMessageBroker
public class WebSocketMessageBrokerConfigurer extends AbstractWebSocketMessageBrokerConfigurer {

  1. @Override
  2. public void registerStompEndpoints(StompEndpointRegistry registry) {
  3.     ….
  4.     registry.addEndpoint("/websocket-simple-single").withSockJS();
  5. }
  6. ….

}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
7.3. ws-broadcast-single.jsp页面
ws-broadcast-single.jsp页面：和ws-broadcast.jsp相似，这里只列出不同的地方
最大的不同是 stompClient.subscribe的订阅的目的地的前缀是/user，后面再上@SendToUser(“/topic/getResponse”)注解的里配置的值
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
7.4. 测试
启动服务WebSocketApplication
执行请求： http://127.0.0.1:8080//broadcast-single/index
点击”连接”，在两个页面各发送两次消息，结果如下：
可知websocket执行成功，并且所有的返回值只返回发送者，而不是所有的订阅者

  1. 代码
    所有的详细代码见github代码，请尽量使用tag v0.19，不要使用master，因为master一直在变，不能保证文章中代码和github上的代码一直相同