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.NET WebSocket 核心原理初体验

2024-12-03 06:01

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本文将利用WebSockets(SignalR的一部分)搭建一个可双向通信的ASP.NETCore5应用。

( 预告:下期将着重对比gRPC和WebSockets的差异和使用场景)

我们先深入研究基本概念,以了解WebSockets幕后情况。

WebSockets简介

为支持在在客户端/服务端双向通信,引入了WebSockets.

HTTP 1.0:我们每次向服务器发送请求时都需要重新创建连接(关闭之前的连接)。

HTTP 1.1:新增keep-alive语法引入了持久连接机制, 至此连接可以被重用---这能减小通信延迟(因为服务器能感知客户端,并且不需要为每个请求重开握手过程)

WebSockets 依附于HTTP1.1协议的持久连接机制,因此如果你是第一次发起WebSockets连接,这实际是一个HTTP1.1请求,协商成功后开始全双工通信。

下图描述了初始化(握手),数据传输,关闭WebSockets的过程。

协议有两部分:握手和数据传输

握手

WebSocket与HTTP协议有良好兼容性。"握手"阶段采用Http协议,默认也是80/443端口,因此握手时不容易屏蔽,能通过各种 HTTP 代理服务器。

协议标识符是ws(如果加密,则为wss),服务器网址就是 URL。

ws://example.com:80/some/path

简而言之,WebSocket连接基于单个端口上的HTTP(以TCP传输):

服务器在指定的端口(如80/443)上监听传入的TCP套接字连接

客户端使用HTTP GET请求启动握手 (这就是“WebSockets”中的“Web”由来)。

在请求头中,客户端将要求服务器将连接Upgrade到WebSocket。

服务器发送握手响应,通知客户端它将把协议从HTTP更改为WebSocket。

客户端/服务器协商连接细节。如果条款不匹配,任何一方都可以退出。

  1. GET /ws-endpoint HTTP/1.1 
  2. Host: example.com:80 
  3. Upgrade: websocket 
  4. Connection: Upgrade 
  5. Sec-WebSocket-Key: L4kHN+1Bx7zKbxsDbqgzHw== 
  6. Sec-WebSocket-Version: 13 

请注意:客户端发送Connection:Upgrade和Upgrade:websocket请求头 服务端握手响应:

  1. HTTP/1.1 101 Switching Protocols 
  2. Upgrade: websocket 
  3. Connection: Upgrade 
  4. Sec-WebSocket-Accept: CTPN8jCb3BUjBjBtdjwSQCytuBo= 

注意:服务端返回HTTP/1.1 101 Switching Protocols状态码,其他非101的状态码都指示握手失败。

数据传输

任意一方可以在任意时间发送消息,因为这是全双工通信协议。

消息由一个或多个帧组成,一个帧可以是二进制、文本、控制帧(0x8 Close,0x9 Ping,0xA Pong)

.NETCore Server listening WebSockets

  1. dotnet new webapi -n WebSocketsTutorial 
  2. dotnet add WebSocketsTutorial/ package Microsoft.AspNet.SignalR 

为简化本次内容,我不会谈论SignalR(集线器和其他东西)。

本次将完全基于WebSocket通信。

  1. app.UseWebSockets(); 

新增WebSocketsController.cs,添加如下代码:

  1. using System; 
  2. using System.Net.WebSockets; 
  3. using System.Text; 
  4. using System.Threading; 
  5. using System.Threading.Tasks; 
  6. using Microsoft.AspNetCore.Mvc; 
  7. using Microsoft.Extensions.Logging; 
  8. namespace WebSocketsTutorial.Controllers 
  9.     [ApiController] 
  10.     [Route("[controller]")] 
  11.     public class WebSocketsController : ControllerBase 
  12.     { 
  13.         private readonly ILogger _logger; 
  14.         public WebSocketsController(ILogger logger) 
  15.         { 
  16.             _logger = logger; 
  17.         } 
  18.         [HttpGet("/ws")] 
  19.         public async Task Get() 
  20.         { 
  21.           if (HttpContext.WebSockets.IsWebSocketRequest) 
  22.           { 
  23.               using var webSocket = await HttpContext.WebSockets.AcceptWebSocketAsync(); 
  24.               _logger.Log(LogLevel.Information, "WebSocket connection established"); 
  25.               await Echo(webSocket); 
  26.           } 
  27.           else 
  28.           { 
  29.               HttpContext.Response.StatusCode = 400; 
  30.           } 
  31.         } 
  32.          
  33.         private async Task Echo(WebSocket webSocket) 
  34.         { 
  35.             var buffer = new byte[1024 * 4]; 
  36.             var result = await webSocket.ReceiveAsync(new ArraySegment(buffer), CancellationToken.None); 
  37.             _logger.Log(LogLevel.Information, "Message received from Client"); 
  38.             while (!result.CloseStatus.HasValue) 
  39.             { 
  40.                 var serverMsg = Encoding.UTF8.GetBytes($"Server: Hello. You said: {Encoding.UTF8.GetString(buffer)}"); 
  41.                 await webSocket.SendAsync(new ArraySegment(serverMsg, 0, serverMsg.Length), result.MessageType, result.EndOfMessage, CancellationToken.None); 
  42.                 _logger.Log(LogLevel.Information, "Message sent to Client"); 
  43.                 result = await webSocket.ReceiveAsync(new ArraySegment(buffer), CancellationToken.None); 
  44.                 _logger.Log(LogLevel.Information, "Message received from Client"); 
  45.                  
  46.             } 
  47.             await webSocket.CloseAsync(result.CloseStatus.Value, result.CloseStatusDescription, CancellationToken.None); 
  48.             _logger.Log(LogLevel.Information, "WebSocket connection closed"); 
  49.         } 
  50.     } 

在握手之后,服务端不需要等待客户端发起消息,就可以推送消息到客户端。

启动ASP.NET Core 服务端,程序在/ws路由地址监听WebSockets连接, 回发客户端发送过来的消息。

Browser client using WebSockets api

在浏览器Console编写js代码发起客户端websockets请求:

  1. let webSocket = new WebSocket('wss://localhost:5001/ws'); 

在该请求的network- Messages tab页面可观察双向通信:

除此之外,服务器/客户端维护了pingpong机制,以确认客户端是否还存活。

如果您真的想看看这些数据包,使用WireShark之类的工具了解一下。

整个过程在Chrome-Network上只会有一个记录,所以你如果要看"握手过程", 也请在刚在的tab页面查看??。

最后

如果您有兴趣了解WebSocket的协议规范,请转至RFC 6455阅读。

 

这篇文章只是WebSockets的小试牛刀,还有许多我们可以讨论的其他事情,例如安全性,负载平衡,代理等??。

 

来源:全栈码农画像内容投诉

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