WebSocket背景知识及简单实现-Java

一、背景知识

1.消息传输

为什么张三不能直接发消息给李四，而需要通过服务器中转？

①NAT背景下，不在同一局域网的两个内网的设备无法直接通信。IPv4地址不够用，无法给每个设备分配一个唯一的IP。张三，李四都是普通客户端，设备大概率没有外网IP，只有内网IP，若没有外网IP则不能被直接访问到，除非张三李四在同一局域网中。

②通过服务器中转，容易在服务器端记录历史消息，方便查询历史记录

IPv4地址不够用解决方法：

（1）动态分配IP

（2）NAT网络地址转换：一个设备在进行上网时，IP数据报中的IP地址就会被NAT设备（通常是路由器）进行自动修改。缺点是网络环境复杂。

（3）IPv6

2、基于http实现消息的实时传输

**张三和李四不能直接通信（NAT）**必须是张三发消息给服务器，服务器转发给李四（服务器有外网IP，张三和李四都能访问到）张三（客户端）发消息（请求）给服务器，服务器主动发送响应给李四（客户端）

一般http系列的程序，第一种情况：客户端发起请求，服务器返回响应，客户端不发请求，服务器就不返回响应；第二种：服务器推送数据给客户端（不太支持）

第二种情况可以通过轮询实现：李四周期性地给服务器发送请求，如果有消息就获取，没有就sleep。但此种方式也会产生问题：消耗更多的系统资源，接收方在等待的过程中需要频繁地给服务器发送请求，这些请求中大部分是空请求；获取消息不够及时，需要等到下个请求才能拿到数据。提高轮询的频率，获取消息及时，但系统资源消耗更多；降低轮询的频率，系统资源消耗降低，但获取消息就不及时。

引入WebSocket解决消息推送问题。

3、基于WebSocket实现消息的实时传输

3.1简介

WebSocket是一个应用层协议，和http的地位是对等的，都是基于传输层的TCP实现的一个广泛被使用的应用层协议。WebSocket协议可以实现服务器给客户端主动推送数据（本身TCP就能让服务器给客户端主动推送数据，三次握手结束后客户端/服务器主动发消息都可以，业务角度上客户端主动发消息更常见）

实现【张三发消息，李四收到】的思路：服务器统一管理所有在线客户端的session，收到消息后遍历转发。先用集合存储所有的会话；然后约定格式，由服务器解析后只转发给指定客户端。

3.2报文格式

（1）FIN：是否要关闭WebSocket（此处的FIN不是TCP的FIN，只是需要通过FIN触发应用协议断开连接的操作）

（2）RSV：reserve保留位

（3）opcode：操作码，描述当前WebSocket数据帧的作用（取值为0x1表示为文本数据，0x2表示为二进制数据）

（4）MASK：是否开启掩码操作，避免缓冲区溢出

（5）payload length：载荷长度。2^7（0~127），最多能保存127字节。共三种模式，7bit，16bit，64bit。

（6）payload data：载荷数据

3.3握手过程

接下来浏览器和服务器之间相当于建立好了websocket的连接，可以使用websocket进行数据传输

！websocket基于http协议实现（❌️）

二、简单实现

1、实现方法

1、直接使用Tomcat提供的原生websocket API

2、使用Spring提供的websocket API（此处用这种）

2、举例：基于Spring的websocket API编写简单的hello world

Spring Web（提供 HTTP 基础能力，必须选）

WebSocket（核心依赖，直接提供 TextWebSocketHandler 类）

2.1服务器代码

（1）创建一个类，继承自TextWebSocketHandler （Spring内置的类）重写父类方法，处理websocket中的各个通信流程，同时加上**@Component**注解，注册到Spring中。

java 复制代码

package com.gitee.zhouzhou.testwebsocketapi.api;

import org.springframework.stereotype.Component;
import org.springframework.web.socket.CloseStatus;
import org.springframework.web.socket.TextMessage;
import org.springframework.web.socket.WebSocketSession;
import org.springframework.web.socket.handler.TextWebSocketHandler;

@Component
public class TestWebSocketAPI extends TextWebSocketHandler {
    @Override
    public void afterConnectionEstablished(WebSocketSession session) throws Exception {
        //websocket连接成功建立后自动调用
        System.out.println("TestAPI 连接成功！");
    }

    @Override
    protected void handleTextMessage(WebSocketSession session, TextMessage message) throws Exception {
        //websocket收到消息后自动调用
        System.out.println("TestAPI 收到消息！"+message.toString());
        //session会话记录通信双方是谁，session中持有websocket的通信连接
        session.sendMessage(message);
    }

    @Override
    public void handleTransportError(WebSocketSession session, Throwable exception) throws Exception {
        //websocket连接异常后自动调用
        System.out.println("TestAPI 连接异常！");
    }

    @Override
    public void afterConnectionClosed(WebSocketSession session, CloseStatus status) throws Exception {
        //websocket连接正常关闭后自动调用
        System.out.println("TestAPI 连接断开！");
    }

}

（2）把上述实例注册到Spring配置中，配置路由（哪个路径对应到上述的handler）创建另外一个类WebSocketConfig，实现websocket的配置interface