【网络】WebSocket通信基础

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【网络】WebSocket通信基础

本文介绍了WebSocket协议相关内容，背景知识和协议规范

WebSocket 是一种在单个 TCP 连接上进行全双工通信的协议。它在 Web 应用中提供了一种持久连接，允许客户端和服务器之间进行实时、双向的数据传输，而无需像传统的 HTTP 请求那样每次通信都建立新的连接。这使得 WebSocket 非常适合需要低延迟和高吞吐量的应用，如在线游戏、实时聊天、协作工具、股票行情更新和物联网数据传输等。

核心特性

  1. 全双工通信
    客户端和服务器可以同时主动发送数据，无需等待请求-响应模式，适合实时交互场景（如聊天、游戏、股票行情推送）。

  2. 低延迟与高效性
    • 建立连接后，数据帧直接传输，省去 HTTP 请求的头部开销（如 Cookie、User-Agent 等重复字段）。
    • 相比 HTTP 轮询（频繁建立/断开连接），WebSocket 维持长连接，减少延迟和资源消耗。
  3. 基于 TCP 的可靠传输
    继承 TCP 的可靠性（数据有序、不丢失、自动重传），同时通过应用层协议实现消息边界管理。

为什么需要 WebSocket？

在 WebSocket 出现之前，Web 浏览器和服务器之间的实时通信主要依赖于以下几种技术：

  • 轮询 (Polling): 客户端定时向服务器发送 HTTP 请求，询问是否有新的数据。这种方式效率低下，会产生大量不必要的请求，并增加服务器负载。
  • 长轮询 (Long Polling): 客户端发送一个 HTTP 请求，服务器保持连接打开，直到有新数据可用或超时。数据发送后，连接关闭，客户端立即发起新的请求。这种方式比轮询有所改进，但仍然是单向的，并且每次数据传输后都需要重新建立连接，依然存在延迟和开销。
  • Comet (Streaming): 服务器长时间保持 HTTP 连接打开，并不断向客户端发送数据。客户端收到数据后，连接保持打开。虽然实现了单向实时，但仍然是基于 HTTP 请求-响应模式的变种，而且客户端难以向服务器发送实时数据。
  • Flash Sockets/Java Applets: 这些技术需要浏览器插件，兼容性差，且逐渐被淘汰。

WebSocket 的出现正是为了解决这些问题，提供一种原生、高效的双向通信机制。

二、协议分层与握手过程

1. 握手阶段（HTTP 升级）

WebSocket 连接的建立始于一个特殊的 HTTP 握手。客户端向服务器发送一个特殊的 HTTP 请求，请求升级到 WebSocket 协议。

客户端请求示例:

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub24gY2U=
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Version: 13

服务器响应示例:

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9GUfnjUMzdzbCYg=

握手过程的关键点:

  • Upgrade: websocket 和 Connection: Upgrade: 这两个头部字段明确表示客户端请求将协议从 HTTP 升级到 WebSocket。
  • Sec-WebSocket-Key: 这是一个随机生成的 Base64 编码的字符串。客户端发送此键，服务器会将其与一个固定的 GUID (“258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”) 拼接，然后计算 SHA-1 散列并进行 Base64 编码，生成 Sec-WebSocket-Accept。
  • Sec-WebSocket-Version: 指定客户端使用的 WebSocket 协议版本。目前最新的标准版本是 13。
  • Sec-WebSocket-Accept: 服务器的响应，证明服务器理解并同意升级请求。它的值是根据 Sec-WebSocket-Key 计算得出的，客户端会验证这个值，确保握手成功。

一旦握手成功，HTTP 连接就会“升级”为 WebSocket 连接，此后所有通信都将使用 WebSocket 协议定义的帧格式，不再是 HTTP 请求/响应模式。

2. 数据传输阶段 (Data Transfer)

握手成功后，客户端和服务器之间就可以通过这个持久的 TCP 连接进行双向、全双工的数据传输。数据以 帧 (Frames) 的形式发送，而不是像 HTTP 那样以完整的消息发送。

数据帧格式

WebSocket 数据帧每个帧包含以下字段（简化版）：

字段作用
FIN标识是否为消息的最后一帧（1 bit）
Opcode帧类型（4 bits）：如 0x1 文本、0x2 二进制、0x8 关闭连接等
Mask是否对负载数据掩码（1 bit，客户端必须设为 1）
Payload Length负载长度（7/16/64 bits，动态扩展）
Masking Key掩码密钥（4 bytes，客户端生成）
Payload Data实际数据（可能被掩码处理）

掩码机制：客户端发送的数据必须掩码，服务器发送的数据不能掩码，防止缓存代理干扰。

WebSocket 帧的特点:

  • 轻量级: WebSocket 帧头非常小，通常只有几字节，这减少了协议开销。
  • 支持多种数据类型: 可以传输文本数据 (UTF-8 编码) 和二进制数据。
  • 分片 (Fragmentation): 大的数据可以被分成多个帧进行传输，接收方再将其重组。这对于处理大型文件或需要分批发送的数据非常有用。
  • 掩码 (Masking): 从客户端发送到服务器的数据帧必须进行掩码处理，以防止中间代理服务器缓存响应（因为 WebSocket 帧可能看起来像有效的 HTTP 请求）。服务器发送给客户端的数据不需要掩码。
  • 心跳机制 (Ping/Pong): WebSocket 内置了 PING 和 PONG 帧，用于客户端和服务器之间发送心跳包，检测连接是否仍然活跃，类似于 MQTT 的 Keep Alive 机制。如果一端发送 PING 帧，另一端必须回复 PONG 帧。

3. 连接生命周期管理

  1. 关闭连接
    任一方发送 Opcode=0x8 的帧，携带 2 字节的状态码（如 1000 正常关闭）。对方需回复相同帧确认关闭。

  2. 心跳机制（Ping/Pong）

    • 客户端或服务器可发送 Opcode=0x9 的 Ping 帧探测连接活性。
    • 对方需回复 Opcode=0xA 的 Pong 帧，超时未响应则视为连接断开。

安全性

WebSocket 协议支持加密通信，即 WebSocket Secure (WSS)。WSS 连接通过 TLS/SSL 进行加密，类似于 HTTPS。这意味着数据在传输过程中是加密的，可以防止窃听和篡改。

  • ws://: 非加密的 WebSocket 连接。
  • wss://: 加密的 WebSocket 连接，基于 TLS/SSL。

WebSocket 的应用场景

基于WebSocket上述工作特点，常见的应用领域有下面这些：

  • 实时聊天应用: 即时消息的发送和接收。
  • 在线游戏: 多人游戏的实时玩家状态同步和交互。
  • 股票行情、金融数据推送: 实时股价、市场数据更新。
  • 协作工具: 多个用户同时编辑文档、共享屏幕等。
  • 物联网 (IoT): 设备与服务器之间的小型、频繁数据交换。
  • 实时通知和报警: 服务器向客户端推送即时通知。
  • 在线白板/绘图应用: 实时共享用户绘图操作。

Android平台进行WebSocket连接开发

在 Android 端进行 WebSocket 开发非常常见，特别是在需要实时数据传输的应用中，比如聊天、实时通知或物联网仪表盘。我们可以基于okhttp库的功能来实现。

OkHttp 是 Square 公司开发的一个流行的 HTTP 和 WebSocket 客户端。它功能强大、易于使用，并且是 Android 开发中最推荐的网络库之一。

dependencies {
    implementation 'com.squareup.okhttp3:okhttp:4.12.0' 
}

基本开发步骤

  1. 创建 OkHttpClient 实例: 通常，你会在应用中创建一个单例 OkHttpClient 实例。

    OkHttpClient client = new OkHttpClient();

  2. 创建 WebSocketRequest: 构建一个 Request 对象，指定 WebSocket 服务器的 URL。

    String webSocketUrl = "ws://echo.websocket.org"; // 替换为你的 WebSocket 服务器地址
Request request = new Request.Builder().url(webSocketUrl).build();

  3. 实现 WebSocketListener: 创建一个实现 WebSocketListener 接口的类，用于处理 WebSocket 事件（打开、关闭、接收消息、失败等）。

    public class MyWebSocketListener extends WebSocketListener {

    private static final int NORMAL_CLOSURE_STATUS = 1000;

    @Override
    public void onOpen(@NonNull WebSocket webSocket, @NonNull Response response) {
        super.onOpen(webSocket, response);
        // 连接成功建立时调用
        System.out.println("WebSocket Connected!");
        // 连接成功后可以发送消息
        webSocket.send("Hello from Android!");
        // 也可以发送二进制数据
        // webSocket.send(ByteString.decodeHex("deadbeef"));
    }

    @Override
    public void onMessage(@NonNull WebSocket webSocket, @NonNull String text) {
        super.onMessage(webSocket, text);
        // 接收到文本消息时调用
        System.out.println("Receiving Text: " + text);
    }

    @Override
    public void onMessage(@NonNull WebSocket webSocket, @NonNull ByteString bytes) {
        super.onMessage(webSocket, bytes);
        // 接收到二进制消息时调用
        System.out.println("Receiving Bytes: " + bytes.hex());
    }

    @Override
    public void onClosing(@NonNull WebSocket webSocket, int code, @NonNull String reason) {
        super.onClosing(webSocket, code, reason);
        // WebSocket 即将关闭时调用
        System.out.println("Closing: " + code + " / " + reason);
        webSocket.close(NORMAL_CLOSURE_STATUS, null); // 告知服务器正常关闭
    }

    @Override
    public void onFailure(@NonNull WebSocket webSocket, @NonNull Throwable t, @Nullable Response response) {
        super.onFailure(webSocket, t, response);
        // 连接失败时调用，例如网络问题、握手失败等
        System.err.println("Error: " + t.getMessage());
        if (response != null) {
            System.err.println("Error Response: " + response.code() + " " + response.message());
        }
    }

    @Override
    public void onClosed(@NonNull WebSocket webSocket, int code, @NonNull String reason) {
        super.onClosed(webSocket, code, reason);
        // WebSocket 完全关闭时调用
        System.out.println("WebSocket Closed: " + code + " / " + reason);
    }
}

  4. 建立 WebSocket 连接: 在你的 Activity 或 Service 中，创建 MyWebSocketListener 实例，并通过 OkHttpClient 发起连接。

    public class MyActivity extends AppCompatActivity {

    private WebSocket webSocket;
    private OkHttpClient client;

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);

        client = new OkHttpClient(); // 初始化一次，最好作为单例

        String webSocketUrl = "ws://echo.websocket.org"; // 公共测试 WebSocket 服务器
        Request request = new Request.Builder().url(webSocketUrl).build();
        MyWebSocketListener listener = new MyWebSocketListener();

        webSocket = client.newWebSocket(request, listener); // 发起连接

        // 示例：可以在连接建立后发送消息，但在实际应用中通常在 onOpen 回调中发送
        // webSocket.send("Hello World!");
    }

    @Override
    protected void onDestroy() {
        super.onDestroy();
        if (webSocket != null) {
            webSocket.close(MyWebSocketListener.NORMAL_CLOSURE_STATUS, "Goodbye!"); // 在 Activity 销毁时关闭连接
        }
        if (client != null) {
            client.dispatcher().executorService().shutdown(); // 关闭 OkHttpClient 的线程池
        }
    }

    // 可以添加一个方法来发送消息
    public void sendMessage(String message) {
        if (webSocket != null) {
            webSocket.send(message);
        }
    }
}

注意事项

  • 权限: 确保在 AndroidManifest.xml 中添加网络权限：
    <uses-permission android:name="android.permission.INTERNET" />
  • 线程: OkHttp 的 WebSocket 回调是在其内部的线程池中执行的。如果你需要在这些回调中更新 UI，请确保切换到主线程（例如使用 runOnUiThread() 或 Handler）。
  • 生命周期管理: 妥善管理 WebSocket 连接的生命周期。在 Activity/Fragment 销毁时关闭连接，避免内存泄漏或不必要的网络活动。对于需要后台持久连接的应用，应该考虑使用 Android Service 来管理 WebSocket 连接。
  • 重连机制: 生产环境中，你需要实现一套健壮的重连机制。当 onFailure 或 onClosed 被调用时，根据错误类型和网络状态进行指数退避或其他策略的重连尝试。
  • 心跳/Keep Alive: WebSocket 协议自带 PING/PONG 帧，OkHttp 会自动处理这部分。但如果你服务器有特殊的超时设置，可能需要调整 OkHttp 的 readTimeout 或自己实现更精细的心跳逻辑（通常不需要）。
  • 安全性 (WSS): 如果你的服务器使用 wss:// (WebSocket Secure)，OkHttp 会自动处理 SSL/TLS 加密。确保你的服务器证书是可信的，或者配置 OkHttpClient 来信任自签名证书（生产环境不推荐）。