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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：

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。
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。
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, RSV1-3	1 Byte	控制位，表示数据帧是否结束以及是否有扩展数据
Opcode	1 Byte	操作码，标识帧的类型（如文本帧、二进制帧等）
Mask	1 Byte	是否启用了掩码（客户端必须启用掩码）
Payload Length	1-8 Bytes	数据帧的长度（实际有效数据长度）
Masking-Key	4 Bytes	客户端发送数据时的掩码密钥（如果 `Mask` 为 1）
Payload Data	N 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

启动服务器并运行 ChatServer.java。
启动客户端 ChatClient.java，客户端将连接到服务端并发送消息。
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

客户端：显示问题并接收用户输入的答案。
服务器端：接收答案并返回是否正确，更新得分。
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

客户端：加载 HTML 页面，连接到 WebSocket 服务器。
客户端输入答案并点击提交。
服务器：判断答案是否正确并返回反馈。
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。