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websocket介绍和demo

由 Deadly 提交于 2019-12-02 11:05:49

目录

一 介绍

参考：WebSocket的故事（一）—— WebSocket的由来
websocket的特点

  1. 服务端可以主动推送信息给客户端
  2. Websocket只需要一次HTTP交互，来进行协议上的切换，整个通讯过程是建立在一次连接/状态中，也就避免了HTTP的无状态性，服务端会一直知道你的信息，直到你关闭请求，这样就解决了服务端要反复解析HTTP请求头的问题
  3. 数据格式比较轻量，性能开销小，通信高效。可以发送*文本，也可以发送二进制数据。
  4. 没有同源限制，客户端可以与任意服务器通信。

二 建立过程

2.1 请求报文

WebSocket的握手使用HTTP来实现，客户端发送带有Upgrade头的HTTP Request消息。服务端根据请求，做Response。
请求报文：

GET wss://www.example.cn/webSocket HTTP/1.1
Host: www.example.cn
Connection: Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Version: 13
Origin: http://example.cn
Sec-WebSocket-Key: afmbhhBRQuwCLmnWDRWHxw==
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits
  • 第1、2行：与HTTP的Request的请求行一样，这里使用的是HTTPS协议，所以对应的是wss请求。
  • 第3行：Connection：HTTP1.1中规定Upgrade只能应用在直接连接中。带有Upgrade头的HTTP1.1消息必须含有Connection头，因为Connection头的意义就是，任何接收到此消息的人（往往是代理服务器）都要在转发此消息之前处理掉Connection中指定的域（即不转发Upgrade域）。
  • 第4行：Upgrade是HTTP1.1中用于定义转换协议的header域。 如果服务器支持的话，客户端希望使用已经建立好的HTTP（TCP）连接，切换到WebSocket协议
  • 第5行：Sec-WebSocket-Version标识了客户端支持的WebSocket协议的版本列表。
  • 第6行：Origin为安全使用，防止跨站攻击，浏览器一般会使用这个来标识原始域。
  • 第7行：Sec-WebSocket-Key是一个Base64encode的值，这个是客户端随机生成的，用于服务端的验证，服务器会使用此字段组装成另一个key值放在握手返回信息里发送客户端。
  • 第8行：Sec_WebSocket-Protocol是一个用户定义的字符串，用来区分同URL下，不同的服务所需要的协议，标识了客户端支持的子协议的列表。
  • 第9行：Sec-WebSocket-Extensions是客户端用来与服务端协商扩展协议的字段，permessage-deflate表示协商是否使用传输数据压缩，client_max_window_bits表示采用LZ77压缩算法时，滑动窗口相关的SIZE大小。

2.2 响应报文

HTTP/1.1 101
Server: nginx/1.12.2
Date: Sat, 11 Aug 2018 13:21:27 GMT
Connection: upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Accept: sLMyWetYOwus23qJyUD/fa1hztc=
Sec-WebSocket-Protocol: chat
Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate;client_max_window_bits=15
  • 第1行：HTTP的版本为HTTP1.1，返回码是101，开始解析Header域（不区分大小写）
  • 第2,3行：服务器信息与时间
  • 第4行：Connection字段，包含Upgrade。
  • 第5行：Upgrade字段，包含websocket。
  • 第6行：Sec-WebSocket-Accept字段，详细介绍一下：
  • 第7行：Sec-WebSocket-Protocol字段，要判断是否之前的Request握手带有此协议，如果没有，则连接失败。
  • 第8行：扩展协议协商，支持压缩，且LZZ的滑动窗口大小为15。

握手过程就完成后，TCP连接不会释放

和http的不同点

  • WebSocket的连接不能通过中间人来转发，它必须是一个直接连接。如果通过代理转发，一个代理要承受如此多的WebSocket连接不释放，就类似于一次DDOS攻击了
  • WebSocket传输的数据是二进制流，是以帧为单位的，HTTP传输的是明文传输，是字符串传输，WebSocket的数据帧有序。

三 springboot中使用websocket

参考：# SpringBoot + WebSocket 开发笔记

3.1 @ServerEndPoint注解

注意点
配置ServerEndpointExporter时，如果springboot要打包成war包，这段代码需要注释掉

import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.web.socket.server.standard.ServerEndpointExporter;

@Configuration
public class WebSocketConfig {

    @Bean
    public ServerEndpointExporter serverEndpointExporter() {
        return new ServerEndpointExporter();
    }
    
}

问题

  • WebSocket实现过程中，尤其是通过“@ServerEndpoint”实现的时候，可能会出现注入失败的问题，即注入的Bean为null的问题。可以通过手动注入的方式来解决，需要改造实现类和SpringBoot启动类，如下：

将ApplicationContext 设置成类的静态变量，需要的bean通过ApplicationContext去取

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.context.ConfigurableApplicationContext;

import WebSocketController;

@SpringBootApplication
public class Application {

    public static void main(String[] args) {
//        SpringApplication.run(Application.class, args);
        SpringApplication springApplication = new SpringApplication(Application.class);
        ConfigurableApplicationContext configurableApplicationContext = springApplication.run(args);
        WebSocketController.setApplicationContext(configurableApplicationContext);  // 解决WebSocket不能注入的问题
    }

}

3.2 第二种

是可以添加拦截器在WebSocket连接建立和断开前进行一些额外操作。

1.HandShake 拦截器实现

import java.util.Map;

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.context.ApplicationContext;
import org.springframework.http.server.ServerHttpRequest;
import org.springframework.http.server.ServerHttpResponse;
import org.springframework.http.server.ServletServerHttpRequest;
import org.springframework.web.socket.WebSocketHandler;
import org.springframework.web.socket.server.support.HttpSessionHandshakeInterceptor;

public class TestHandShakeInterceptor extends HttpSessionHandshakeInterceptor {
    
    private final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(TestHandShakeInterceptor.class);
    
    /*
     * 在WebSocket连接建立之前的操作，以鉴权为例
     */
    @Override
    public boolean beforeHandshake(ServerHttpRequest request, ServerHttpResponse response, 
            WebSocketHandler wsHandler, Map<String, Object> attributes) throws Exception {
        
        LOGGER.info("Handle before webSocket connected. ");
        
        // 获取url传递的参数，通过attributes在Interceptor处理结束后传递给WebSocketHandler
        // WebSocketHandler可以通过WebSocketSession的getAttributes()方法获取参数
        ServletServerHttpRequest serverRequest = (ServletServerHttpRequest) request;
        String id = serverRequest.getServletRequest().getParameter("id");
        String name = serverRequest.getServletRequest().getParameter("name");

        if (tokenValidation.validateSign()) {
            LOGGER.info("Validation passed. WebSocket connecting.... ");
            attributes.put("id", id);
            attributes.put("name", name);
            return super.beforeHandshake(request, response, wsHandler, attributes);
        } else {
            LOGGER.error("Validation failed. WebSocket will not connect. ");
            return false;
        }
    }
    
    @Override
    public void afterHandshake(ServerHttpRequest request, ServerHttpResponse response,
            WebSocketHandler wsHandler, Exception ex) {
        // 省略
    }

}

2.WebSocket 业务逻辑实现。参数传递采用类似GET请求的方式传递，服务端的参数在拦截器中获取之后通过attributes传递给WebSocketHandler

import java.util.ArrayList;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import org.springframework.web.socket.CloseStatus;
import org.springframework.web.socket.WebSocketHandler;
import org.springframework.web.socket.WebSocketMessage;
import org.springframework.web.socket.WebSocketSession;

@RestController
public class TestWebSocketController implements WebSocketHandler {
    
    private static AtomicInteger onlineCount = new AtomicInteger(0);
    
    private static final ArrayList<WebSocketSession> sessions = new ArrayList<>();
    
    private final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(TestWebSocketController.class);
    
    @Override
    public void afterConnectionEstablished(WebSocketSession session) throws Exception {
        sessions.add(session);
        int onlineNum = addOnlineCount();
        LOGGER.info("Oprn a WebSocket. Current connection number: " + onlineNum);
    }

    @Override
    public void afterConnectionClosed(WebSocketSession session, CloseStatus status) throws Exception {
        sessions.remove(session);
        int onlineNum = subOnlineCount();
        LOGGER.info("Close a webSocket. Current connection number: " + onlineNum);
    }

    @Override
    public void handleMessage(WebSocketSession wsSession, WebSocketMessage<?> message) throws Exception {
        LOGGER.info("Receive a message from client: " + message.toString());
    }

    @Override
    public void handleTransportError(WebSocketSession session, Throwable exception) throws Exception {
        LOGGER.error("Exception occurs on webSocket connection. disconnecting....");
        if (session.isOpen()) {
            session.close();
        }
        sessions.remove(session);
        subOnlineCount();
    }

    /*
     * 是否支持消息拆分发送：如果接收的数据量比较大，最好打开(true), 否则可能会导致接收失败。
     * 如果出现WebSocket连接接收一次数据后就自动断开，应检查是否是这里的问题。
     */
    @Override
    public boolean supportsPartialMessages() {
        return true;
    }

    
    public static int getOnlineCount() {
        return onlineCount.get();
    }
    
    public static int addOnlineCount() {
        return onlineCount.incrementAndGet();
    }
    
    public static int subOnlineCount() {
        return onlineCount.decrementAndGet();
    }

}

3.WebSocket 配置类实现（注册WebSocket实现类，绑定接口，同时将实现类和拦截器绑定）

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.web.servlet.config.annotation.EnableWebMvc;
import org.springframework.web.servlet.config.annotation.WebMvcConfigurerAdapter;
import org.springframework.web.socket.config.annotation.EnableWebSocket;
import org.springframework.web.socket.config.annotation.WebSocketConfigurer;
import org.springframework.web.socket.config.annotation.WebSocketHandlerRegistry;

import TestWebSocketController;
import TestHandShakeInterceptor;

@Configuration
@EnableWebMvc
@EnableWebSocket
public class WebSocketConfig extends WebMvcConfigurerAdapter implements WebSocketConfigurer {

    @Autowired
    private TestWebSocketController testWebSocketController;

    @Override
    public void registerWebSocketHandlers(WebSocketHandlerRegistry registry) {
        registry.addHandler(TestWebSocketController, "/testWebSocket")
                .addInterceptors(new TestHandShakeInterceptor()).setAllowedOrigins("*");
    }

}

3.2.1 TextWebSocketHandler

TextWebSocketHandler已经实现了部分方法，方便开发

四 netty实现websocket

参考： websocket（三） 进阶！netty框架实现websocket达到高并发
1.导入依赖

		<dependency>
		    <groupId>io.netty</groupId>
		    <artifactId>netty-all</artifactId>
		    <version>4.1.12.Final</version>
		</dependency>

2.server类

package com.example.demo.service;

import javax.annotation.PostConstruct;
import org.springframework.stereotype.Service;
import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.Channel;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;

@Service
public class NettyServer {
	public static void main(String[] args) {
		new NettyServer().run();
	}
	
	@PostConstruct
	public void initNetty(){
		new Thread(){
			public void run() {
				new NettyServer().run();
			}
		}.start();
	}
	
	
	public void run(){
		System.out.println("===========================Netty端口启动========");
		// Boss线程：由这个线程池提供的线程是boss种类的，用于创建、连接、绑定socket， （有点像门卫）然后把这些socket传给worker线程池。
		// 在服务器端每个监听的socket都有一个boss线程来处理。在客户端，只有一个boss线程来处理所有的socket。
		EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
		// Worker线程：Worker线程执行所有的异步I/O，即处理操作
		EventLoopGroup workGroup = new NioEventLoopGroup();
		try {
			// ServerBootstrap 启动NIO服务的辅助启动类,负责初始话netty服务器，并且开始监听端口的socket请求
			ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
			b.group(bossGroup, workGroup);
			// 设置非阻塞,用它来建立新accept的连接,用于构造serversocketchannel的工厂类
			b.channel(NioServerSocketChannel.class);
			// ChildChannelHandler 对出入的数据进行的业务操作,其继承ChannelInitializer
			b.childHandler(new ChildChannelHandler());
			System.out.println("服务端开启等待客户端连接 ... ...");
			Channel ch = b.bind(8083).sync().channel();
			ch.closeFuture().sync();
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}finally{
			bossGroup.shutdownGracefully();
			workGroup.shutdownGracefully();
		}
	}
}

3.channle注册类

package com.example.demo.service;

import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.handler.codec.http.HttpObjectAggregator;
import io.netty.handler.codec.http.HttpServerCodec;
import io.netty.handler.stream.ChunkedWriteHandler;

public class ChildChannelHandler extends ChannelInitializer<SocketChannel>{
	@Override
	protected void initChannel(SocketChannel e) throws Exception {
	// 设置30秒没有读到数据，则触发一个READER_IDLE事件。
	// pipeline.addLast(new IdleStateHandler(30, 0, 0));
	// HttpServerCodec：将请求和应答消息解码为HTTP消息
	e.pipeline().addLast("http-codec",new HttpServerCodec());
	// HttpObjectAggregator：将HTTP消息的多个部分合成一条完整的HTTP消息
	e.pipeline().addLast("aggregator",new HttpObjectAggregator(65536));
	// ChunkedWriteHandler：向客户端发送HTML5文件
	e.pipeline().addLast("http-chunked",new ChunkedWriteHandler());
	// 在管道中添加我们自己的接收数据实现方法
	e.pipeline().addLast("handler",new MyWebSocketServerHandler());
	}
}

4.handler处理类

package com.example.demo.service;

import java.util.Date;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.logging.Level;
import java.util.logging.Logger;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelFutureListener;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;
import io.netty.handler.codec.http.DefaultFullHttpResponse;
import io.netty.handler.codec.http.FullHttpRequest;
import io.netty.handler.codec.http.HttpHeaders;
import io.netty.handler.codec.http.HttpMethod;
import io.netty.handler.codec.http.HttpResponseStatus;
import io.netty.handler.codec.http.HttpVersion;
import io.netty.handler.codec.http.QueryStringDecoder;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.CloseWebSocketFrame;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.PingWebSocketFrame;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.PongWebSocketFrame;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.TextWebSocketFrame;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.WebSocketFrame;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.WebSocketServerHandshaker;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.WebSocketServerHandshakerFactory;
import io.netty.util.AttributeKey;
import io.netty.util.CharsetUtil;

public class MyWebSocketServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler<Object> {
	private static final Logger logger = Logger.getLogger(WebSocketServerHandshaker.class.getName());
	private WebSocketServerHandshaker handshaker;

	/**
	 * channel 通道 action 活跃的 当客户端主动链接服务端的链接后，这个通道就是活跃的了。也就是客户端与服务端建立了通信通道并且可以传输数据
	 */
	@Override
	public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
		// 添加
		Global.group.add(ctx.channel());
//		System.out.println("客户端与服务端连接开启：" + ctx.channel().remoteAddress().toString());
	}

	/**
	 * channel 通道 Inactive 不活跃的 当客户端主动断开服务端的链接后，这个通道就是不活跃的。也就是说客户端与服务端关闭了通信通道并且不可以传输数据
	 */
	@Override
	public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
		// 移除
		Global.group.remove(ctx.channel());
//		System.out.println("客户端与服务端连接关闭：" + ctx.channel().remoteAddress().toString());
	}
	
//	/**
//	* 接收客户端发送的消息 channel 通道 Read 读 简而言之就是从通道中读取数据，也就是服务端接收客户端发来的数据。但是这个数据在不进行解码时它是ByteBuf类型的
//	*/
//	@Override
//	protected void messageReceived(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
//		// 传统的HTTP接入
//		if (msg instanceof FullHttpRequest) {
//			handleHttpRequest(ctx, ((FullHttpRequest) msg));
//			// WebSocket接入
//		} else if (msg instanceof WebSocketFrame) {
//			System.out.println(handshaker.uri());
//			if("anzhuo".equals(ctx.attr(AttributeKey.valueOf("type")).get())){
//				handlerWebSocketFrame(ctx, (WebSocketFrame) msg);
//			}else{
//				handlerWebSocketFrame2(ctx, (WebSocketFrame) msg);
//			}
//		}
//	}
	
	/**
	* channel 通道 Read 读取 Complete 完成 在通道读取完成后会在这个方法里通知，对应可以做刷新操作 ctx.flush()
	*/
	@Override
	public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
		ctx.flush();
	}

	private void handlerWebSocketFrame(ChannelHandlerContext ctx, WebSocketFrame frame) {
		// 判断是否关闭链路的指令
		if (frame instanceof CloseWebSocketFrame) {
			System.out.println(1);
			handshaker.close(ctx.channel(), (CloseWebSocketFrame) frame.retain());
			return;
		}
		// 判断是否ping消息
		if (frame instanceof PingWebSocketFrame) {
			ctx.channel().write(new PongWebSocketFrame(frame.content().retain()));
			return;
		}
		// 本例程仅支持文本消息，不支持二进制消息
		if (!(frame instanceof TextWebSocketFrame)) {
			System.out.println("本例程仅支持文本消息，不支持二进制消息");
			throw new UnsupportedOperationException(
					String.format("%s frame types not supported", frame.getClass().getName()));
		}
		// 返回应答消息
		String request = ((TextWebSocketFrame) frame).text();
		System.out.println("服务端收到：" + request);
		if (logger.isLoggable(Level.FINE)) {
			logger.fine(String.format("%s received %s", ctx.channel(), request));
		}
		
		TextWebSocketFrame tws = new TextWebSocketFrame(new Date().toString() + ctx.channel().id() + "：" + request);
		// 群发
		Global.group.writeAndFlush(tws);
		// 返回【谁发的发给谁】
		// ctx.channel().writeAndFlush(tws);
	
	}
	
	private void handlerWebSocketFrame2(ChannelHandlerContext ctx, WebSocketFrame frame) {
		// 判断是否关闭链路的指令
		if (frame instanceof CloseWebSocketFrame) {
			handshaker.close(ctx.channel(), (CloseWebSocketFrame) frame.retain());
			return;
		}
		
		// 判断是否ping消息
		if (frame instanceof PingWebSocketFrame) {
			ctx.channel().write(new PongWebSocketFrame(frame.content().retain()));
			return;
		}
		// 本例程仅支持文本消息，不支持二进制消息
		if (!(frame instanceof TextWebSocketFrame)) {
			System.out.println("本例程仅支持文本消息，不支持二进制消息");
			throw new UnsupportedOperationException(
					String.format("%s frame types not supported", frame.getClass().getName()));
		}
		// 返回应答消息
		String request = ((TextWebSocketFrame) frame).text();
		System.out.println("服务端2收到：" + request);
		if (logger.isLoggable(Level.FINE)) {
			logger.fine(String.format("%s received %s", ctx.channel(), request));
		}
		TextWebSocketFrame tws = new TextWebSocketFrame(new Date().toString() + ctx.channel().id() + "：" + request);
		// 群发
		Global.group.writeAndFlush(tws);
		// 返回【谁发的发给谁】
		// ctx.channel().writeAndFlush(tws);
	}
	
	private void handleHttpRequest(ChannelHandlerContext ctx, FullHttpRequest req) {
		// 如果HTTP解码失败，返回HHTP异常
		if (!req.getDecoderResult().isSuccess() || (!"websocket".equals(req.headers().get("Upgrade")))) {
			sendHttpResponse(ctx, req,
					new DefaultFullHttpResponse(HttpVersion.HTTP_1_1, HttpResponseStatus.BAD_REQUEST));
			return;
		}
		//获取url后置参数
		HttpMethod method=req.getMethod();
		String uri=req.getUri();
		QueryStringDecoder queryStringDecoder = new QueryStringDecoder(uri);
		Map<String, List<String>> parameters = queryStringDecoder.parameters();
//		System.out.println(parameters.get("request").get(0));
		if(method==HttpMethod.GET&&"/webssss".equals(uri)){
		//....处理
		ctx.attr(AttributeKey.valueOf("type")).set("anzhuo");
		}else if(method==HttpMethod.GET&&"/websocket".equals(uri)){
		//...处理
		ctx.attr(AttributeKey.valueOf("type")).set("live");
		}
		// 构造握手响应返回，本机测试
		WebSocketServerHandshakerFactory wsFactory = new WebSocketServerHandshakerFactory(
				"ws://"+req.headers().get(HttpHeaders.Names.HOST)+uri, null, false);
		handshaker = wsFactory.newHandshaker(req);
		if (handshaker == null) {
			WebSocketServerHandshakerFactory.sendUnsupportedWebSocketVersionResponse(ctx.channel());
		} else {
				handshaker.handshake(ctx.channel(), req);
		}
	
	
	}
	private static void sendHttpResponse(ChannelHandlerContext ctx, FullHttpRequest req, DefaultFullHttpResponse res) {
		// 返回应答给客户端
		if (res.getStatus().code() != 200) {
			ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer(res.getStatus().toString(), CharsetUtil.UTF_8);
			res.content().writeBytes(buf);
			buf.release();
		}
		// 如果是非Keep-Alive，关闭连接
		ChannelFuture f = ctx.channel().writeAndFlush(res);
		if (!HttpHeaders.isKeepAlive(req) || res.getStatus().code() != 200) {
			f.addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
		}
	}

	/**
	 * exception 异常 Caught 抓住 抓住异常，当发生异常的时候，可以做一些相应的处理，比如打印日志、关闭链接
	 */
	@Override
	public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
		cause.printStackTrace();
		ctx.close();
	}

	@Override
	protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
		// 传统的HTTP接入
		if (msg instanceof FullHttpRequest) {
			handleHttpRequest(ctx, ((FullHttpRequest) msg));
			// WebSocket接入
		} else if (msg instanceof WebSocketFrame) {
//			System.out.println(handshaker.uri());
			if("anzhuo".equals(ctx.attr(AttributeKey.valueOf("type")).get())){
				handlerWebSocketFrame(ctx, (WebSocketFrame) msg);
			}else{
				handlerWebSocketFrame2(ctx, (WebSocketFrame) msg);
			}
		}
	}
}
标签
websocket
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