.NET WebSocket 核心原理初体验

简介: 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。

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,还是有http请求,假长连接)


WebSockets 依附于HTTP1.1协议的连接升级,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。


9e24a2739c79f7860563633a315f8194.jpg


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


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简而言之,WebSocket连接基于单个端口上的HTTP(以TCP传输):


1.服务器在指定的端口(如80/443)上监听传入的TCP套接字连接


2.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。


3.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。


4.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。


GET /ws-endpoint HTTP/1.1Host: example.com:80Upgrade: websocketConnection: UpgradeSec-WebSocket-Key: L4kHN+1Bx7zKbxsDbqgzHw==Sec-WebSocket-Version: 13


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


HTTP/1.1 101 Switching ProtocolsUpgrade: websocketConnection: UpgradeSec-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


dotnet new webapi -n WebSocketsTutorialdotnet 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。

app.UseWebSockets();


新增WebSocketsController.cs,添加如下代码:


using System;using System.Net.WebSockets;using System.Text;using System.Threading;using System.Threading.Tasks;using Microsoft.AspNetCore.Mvc;using Microsoft.Extensions.Logging;namespace WebSocketsTutorial.Controllers{    [ApiController]    [Route("[controller]")]    public class WebSocketsController : ControllerBase    {        private readonly ILogger<WebSocketsController> _logger;        public WebSocketsController(ILogger<WebSocketsController> logger)        {            _logger = logger;        }        [HttpGet("/ws")]        public async Task Get()        {          if (HttpContext.WebSockets.IsWebSocketRequest)          {              using var webSocket = await HttpContext.WebSockets.AcceptWebSocketAsync();              _logger.Log(LogLevel.Information, "WebSocket connection established");              await Echo(webSocket);          }          else          {              HttpContext.Response.StatusCode = 400;          }        }                private async Task Echo(WebSocket webSocket)        {            var buffer = new byte[1024 * 4];            var result = await webSocket.ReceiveAsync(new ArraySegment<byte>(buffer), CancellationToken.None);            _logger.Log(LogLevel.Information, "Message received from Client");            while (!result.CloseStatus.HasValue)            {                var serverMsg = Encoding.UTF8.GetBytes($"Server: Hello. You said: {Encoding.UTF8.GetString(buffer)}");                await webSocket.SendAsync(new ArraySegment<byte>(serverMsg, 0, serverMsg.Length), result.MessageType, result.EndOfMessage, CancellationToken.None);                _logger.Log(LogLevel.Information, "Message sent to Client");                result = await webSocket.ReceiveAsync(new ArraySegment<byte>(buffer), CancellationToken.None);                _logger.Log(LogLevel.Information, "Message received from Client");                            }            await webSocket.CloseAsync(result.CloseStatus.Value, result.CloseStatusDescription, CancellationToken.None);            _logger.Log(LogLevel.Information, "WebSocket connection closed");        }    }}


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:


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


55ce459d43f053564b3d1f926d4a4f76.png

在该请求的network- Messages tab页面可观察双向通信:


49c42703bbf20ee05f81383c31c29870.png

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🙌。


486e0b38f4e40d22c51cb973e2cf4a21.png

最后


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✌️。

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