前端（二十一）——WebSocket：实现实时双向数据传输的Web通信协议

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🤨文章核心：WebSocket：实现实时双向数据传输的Web通信协议

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前言

在当今互联网时代，实时通信已成为很多应用的需求。为了满足这种需求，WebSocket协议被设计出来。WebSocket是一种基于TCP议的全双工通信协议，通过WebSocket，Web应用程序可以与服务器建立持久的连接，实现实时双向数据输，提供极低的延迟和高效的数据传输。

WebSocket原理

• HTTP请求-响应协议

在理解WebSocket原理之前，我们需要了解HTTP请求-响应协议。HTTP是一种无状态的请求-响应协议，客户端通过发送HTTP请求到服务器，服务器接收并处理请求，并返回HTTP响应给客户端。但是，在传统的HTTP协议中，客户端只能发送请求，而服务器只能通过响应来处理客户端的请求。

• WebSocket协议

WebSocket协议是在HTTP协议的基础上进行扩展的。在建立WebSocket连接时，客户端首先发送一个HTTP请求到服务器，并将Upgrade头部字段设置为"websocket"，表示希望升级到WebSocket协议。服务器接收到这个请求后，如果支持WebSocket协议，会返回一个状态码101 Switching Protocols的HTTP响应，并通过Upgrade头部字段将连接升级为WebSocket连接。

升级完成后，客户端和服务器之间的通信不再遵循HTTP请求-响应模式，而是通过WebSocket协议进行双向的实时通信。客户端和服务器可以直接发送消息给对方，不需要等待对方的请求。

如何使用WebSocket

建立WebSocket连接:

要建立WebSocket连接，需要在客户端和服务器之间进行系列的握手操作。下面是详细的代码教程，示了如何在Web应用程序中建立WebSocket连接。

在户端（JavaScript）：

// 创建WebSocket对象并指定服务器地址var socket =newWebSocket("ws://example.com/socket");// 监听连接建立事件
socket.onopen=function(){
  console.log("WebSocket连接已建立");// 在连接建立后，可以发送消息到服务器
  socket.send("Hello Server!");};// 监听接收到服务器发送的消息
socket.onmessage=function(event){var message = event.data;
  console.log("接收到服务器发送的消息："+ message);};// 监听连接关闭事件
socket.onclose=function(event){
  console.log("WebSocket连接已关闭");};// 监听连接错误事件
socket.onerror=function(event){
  console.error("WebSocket连接错误："+ event};

在服务器端（示例使用Node.js）：

const WebSocket =require("ws");// 创建WebSocket服务器const wss =newWebSocket.Server({port:8080});// 监听连接建立事件
wss.on("connection",function(socket){
  console.log("WebSocket连接已建立");// 监听接收到客户端发送的消息
  socket.on("message",function(message){
    console.log("接收到户端发送的消息："+ message);// 向客户端发送消息
    socket.send("Hello Client!");});// 监听连接关闭事件
  socket.on("close",function(){
    console.log("WebSocket连接已关闭");});});

在以上代码中，客户端通过创建WebSocket对象，并指定服务器地址"ws://example.com/socket"来建立WebSocket连接。同时，客户端通过监听onopen事件，可以在连接建立后发送消息到服务器。服务器端使用WebSocket.Server类创建WebSocket服务器，并监听"connection事件来处理连接建立后的操作。服务器端通过socket.on(“message”)来监听接收到客户端发送的消息，并通过socket.send()向客户端发送消息。

数据传输:

建立WebSocket连接后，客户端和服务器可以通过WebSocket对象进行双向的实时数据传输。下面是一个示例代码，演示了如何在客户端和服务器之间进行数据传输。

在客户端（JavaScript）：

// 发送消息到服务器
socket.send("Hello Server!");// 监听接收到服务器发送的消息
socket.onmessage=function(event){var message = event.data;
  console.log("接收到服务器发送的消息："+ message);};

在服务器端（示例使用Node.js）：

// 向客户端发送消息
socket.send("Hello Client!");// 监听接收到客户端发送的消息
socket.on("message",function(message){
  console.log("接收到客户端发送的消息："+ message);});

在以上代码中，客户端通过调用

socket.send()

方法将消息发送到服务器，服务器通过

socket.send()

方法将消息发送到客户端。客户端通过监听

socket.onmessage

事件来接收服务器发送的消息，服务器通过监听

socket.on("message")

事件来接收客户端发送的消息。

通过以上代码示例，你可以详细了解如何使用WebSocket建立连接并进行数据传输。请注意，示例代码中使用的服务器地址和端口号需要根据实际情况进行修改。同时，你还可以在具体应用中根据需要使用WebSocket的其他方法和事件来实现更复杂的功能。

WebSocket的真实使用场景

即时通讯:

WebSocket非常适合用于即时通讯应用，因为它能够实现实时双向通信。以下是一个简单的即时聊天应用的代码教程。

在客户端（JavaScript）：

// 创建WebSocket对象并指定服务器地址var socket =newWebSocket("ws://example.com/socket");// 监听连接建立事件
socket.onopen=function(){
  console.log("WebSocket连接已建立");// 监听文本框输入，按下Enter键时发送消息var input = document.getElementById("input");
  input.addEventListener("keyup",function(event){if(event.keyCode ===13){var message = input.value;
      socket.send(message);
      input.value ="";}});};// 监听接收到服务器发送的消息
socket.onmessage=function(event){var message = event.data;
  console.log("接收到服务器发送的消息："+ message);// 将接收到的消息显示在聊天窗口中var chatWindow = document.getElementById("chatWindow");
  chatWindow.innerHTML +="<p>"+ message +"</p>";};// 监听连接关闭事件
socket.onclose=function(event){
  console.log("WebSocket连接已关闭");};// 监听连接错误事件
socket.onerror=function(event){
  console.error("WebSocket连接错误："+ event};

在服务器端（示例使用Node.js）：

const WebSocket =require("ws");// 创建WebSocket服务器const wss =newWebSocket.Server({port:8080});// 监听连接建立事件
wss.on("connection",function(socket){
  console.log("WebSocket连接已建立");// 监听接收到客户端发送的消息
  socket.on("message",function(message){
    console.log("接收到客户端发送的消息："+ message);// 向所有连接的客户端发送消息
    wss.clients.forEach(function(client){
      client.send(message);});});// 监听连接关闭事件
  socket.on("close",function(){
    console.log("WebSocket连接已关闭");});});

在上述代码中，客户端通过创建WebSocket对象连接到服务器。输入框中的文本框用于录入要发送的消息，按下Enter键时会将消息发送给服务器。服务器接收到消息后，通过遍历所有连接的客户端，向每个客户端发送消息。

这样，多个客户端就可以实时地进行聊天，并且所有的消息都会实时地在各个客户端之间同步显示。

多人协作:

WebSocket还可用于多人协作应用，让多个用户可以实时地协同编辑文档或画布。以下是一个简单的代码教程。

在客户端（JavaScript）：

// 创建WebSocket对象并指定服务器地址var socket =newWebSocket("ws://example.com/socket");// 监听连接建立事件
socket.onopen=function(){
  console.log("WebSocket连接已建立");// 监听文本框输入，按下Enter键时发送绘画指令var canvas = document.getElementById("canvas");
  canvas.addEventListener("mousedown",function(event){// 绘画指令的数据格式可以自定义，这里使用了简单的示例var instruction ={type:"draw",position:{x: event.clientX,y: event.clientY
      }};
    socket.send(JSON.stringify(instruction));});};// 监听接收到服务器发送的消息
socket.onmessage=function(event){var message =JSON.parse(event.data);
  console.log("接收到服务器发送的消息："+ message);// 根据消息执行相应的操作，示例中处理了绘画指令if(message.type ==="draw"){var canvas = document.getElementById("canvas");var ctx = canvas.getContext("2d");
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(message.position.x, message.position.y,5,0,2* Math.PI);
    ctx.fill();}};// 监听连接关闭事件
socket.onclose=function(event){
  console.log("WebSocket连接已关闭");};// 监听连接错误事件
socket.onerror=function(event){
  console.error("WebSocket连接错误："+ event};

在服务器端（示例使用Node.js）：

const WebSocket =require("ws");// 创建WebSocket服务器const wss =newWebSocket.Server({port:8080});// 监听连接建立事件
wss.on("connection",function(socket){
  console.log("WebSocket连接已建立");// 监听接收到客户端发送的消息
  socket.on("message",function(message){
    console.log("接收到客户端发送的消息："+ message);// 向所有连接的客户端发送消息
    wss.clients.forEach(function(client){
      client.send(message);});});// 监听连接关闭事件
  socket.on("close",function(){
    console.log("WebSocket连接已关闭");});});

在上述代码中，客户端通过创建WebSocket对象连接到服务器。当鼠标在画布上按下时，将绘画指令发送给服务器。服务器接收到绘画指令后，将指令广播给所有连接的客户端，并在各个客户端上进行绘画操作。

这样，多个用户就可以实时地协同编辑同一个画布或文档，所有的绘画指令都会即时同步在各个客户端之间。

实时数据更新:

WebSocket还可以用于实时数据更新应用，例如股票交易应用中的实时股票价格更新。以下是一个简单的代码教程。

在客户端（JavaScript）：

// 创建WebSocket对象并指定服务器地址var socket =newWebSocket("链接");// 监听连接建立事件
socket.onopen=function(){
  console.log("WebSocket连接已建立");};// 监听接收到服务器发送的消息
socket.onmessage=function(event){var message =JSON.parse(event.data);
  console.log("接收到服务器发送的消息："+ message);// 对接收到的实时数据进行处理var stockPriceElement = document.getElementById("stockPrice");
  stockPriceElement.innerText = message.price;};// 监听连接关闭事件
socket.onclose=function(event){
  console.log("WebSocket连接已关闭");};// 监听连接错误事件
socket.onerror=function(event){
  console.error("WebSocket连接错误："+ event};

在服务器端（示例使用Node.js）：

const WebSocket =require("ws");// 创建WebSocket服务器const wss =newWebSocket.Server({port:8080});// 模拟实时股票价格更新setInterval(function(){var stockPrice = Math.random()*100;// 向所有连接的客户端发送实时数据
  wss.clients.forEach(function(client){var data ={price: stockPrice
    };
    client.send(JSON.stringify(data));});},2000);// 监听连接建立事件
wss.on("connection",function(socket){
  console.log("WebSocket连接已建立");// 初始化发送实时数据var stockPrice = Math.random()*100;var data ={price: stockPrice
  };
  socket.send(JSON.stringify(data));// 监听连接关闭事件
  socket.on("close",function(){
    console.log("WebSocket连接已关闭");});});

在上述代码中，客户端通过创建WebSocket对象连接服务器。服务器使用setInterval函数模拟实时股票价格的更新，并将更新的数据发送给所有连接的客户端。客户端监听接收到服务器发送的消息，并处理接收到的实时数据。

这样，在股票交易应用中，多个用户可以实时地接收和显示股票价格的更新信息。包括打游戏的时候，队友之间互相沟通，打字交流，或者走位，放技能等等，都是即时的。

WebSocket的优势与局限性

• WebSocket的优势:

• 双向实时通信：WebSocket提供了双向的实时信能力，客户端和服务器可以通过该协议进行双向数据传输，实时反馈更新信息，实现即时通讯、实时数据推送等功能。
• 较低的延迟：与传统的HTTP请求相比，WebSocket降低了通信的开销，减少了传输和处理数据的延迟，因此可以更快进行实时数据传输。
• 更高的性能：由于WebSocket使用较少的头部信息和更有效的消息传输格式，因此在相同带宽下可以传输更多的数据，提高了性能和效率。
• 广泛的浏览器支持：WebSocket是HTML5的一部分，并且得到了大多数现代浏览器的支持，因此它可以在各种平台和设备上使用。
• 连接保持：与传统的HTTP请求不同，WebSocket连接保持在建立之后，双方可以随时进行数据传输，避免了不必要的连接和断开操作。

• WebSocket的局限性:

• 兼容性问题：虽然现代浏览器广泛支持WebSocket，但在某些旧版本或特定设备上可能存在兼容性问题。为了兼容性，可以使用轮训技术（如长轮询）作为备选方案。
• 部署和维护复杂性：WebSocket服务器的设置和配置可能比传统的Web服务器复杂一些，需要专门的服务器环境和配置。
• 安全性问题：由于WebSocket是在HTTP协议的基础上建立的，它们共享相同的安全风险，例如跨站点脚本（XSS）和跨站请求伪造（CSRF）。因此，在使用WebSocket时需要考虑到安全性，并采取适当的安全措施。
• 扩展问题：WebSocket协议还不支持像HTTP/2那样的一些高级特性，例如头部压缩和流量控制。在某些特殊情况下，可能需要通过其他方式实现这些功能。

尽管WebSocket具有上述局限性，但它仍然是实时通讯、实时数据传输和实时协作等场景下的首选协议，因为它具备了双向实时通信和较低延迟等一系列的优势。在开发时，需要根据具体需求和限制，综合考虑使用WebSocket的适用性。

结论

WebSocket是一种能够提供双向实时通信的协议，适用于需要实时数据传输和双向通信的场景。它具有较低的延迟、更高的性和广泛的浏览器持等优势，能够实现即时通讯、多人协和实时数据更新等功能。

然而，WebSocket也存在兼容性、部署和维护复杂性、安全性问题以及缺乏一些高级特性等局限性。在开发时，需要仔细考虑具体需求和限制，并必要时采取适当的解决方案。

总的来说，WebSocket在实时通信和实时数据传输方面具有明显的优势，是构建现代Web应用的重要工具之一。