Hi，大家好，我是Payne，欢迎大家关注我的博客，我的博客地址是：https://qinyuanpei.github.io。今天这篇博客，我们来说说WebSocket。各位可能会疑惑，为什么我会突然间对WebSocket感兴趣，这是因为最近接触到了部分“实时”的业务场景，譬如：用户希望在远程视频通话过程中，实时地监控接入方的通话状态，实时地将接入方的响应时间、通话时长以及接通率等信息推送到后台。与此同时，用户可以通过监控平台看到实时变化着的图表。坦白地讲，这种业务场景陌生吗？不，每一年的双11，都能见到小伙伴们实时地“剁手”。所以，在今天这篇文章中，我们会以WebSocket聊天室为例，来讲解如何基于WebSocket构建实时应用。
WebSocket概述
WebSocket是HTML5标准中的一部分，从Socket这个字眼我们就可以知道，这是一种网络通信协议。WebSocket是为了弥补HTTP协议的不足而产生的，我们知道，HTTP协议有一个重要的缺陷，即：请求只能由客户端发起。这是因为HTTP协议采用了经典的请求-响应模型，这就限制了服务端主动向客户端推送消息的可能。与此同时，HTTP协议是无状态的，这意味着连接在请求得到响应以后就关闭了，所以，每次请求都是独立的、上下文无关的请求。这种单向请求的特点，注定了客户端无法实时地获取服务端的状态变化，如果服务端的状态发生连续地变化，客户端就不得不通过“轮询”的方式来获知这种变化。毫无疑问，轮询的方式不仅效率低下，而且浪费网络资源，在这种背景下，WebSocket应运而生。
WebSocket协议最早于2008年被提出，并于2011年成为国际标准。目前，主流的浏览器都已经提供了对WebSocket的支持。在WebSocket协议中，客户端和服务器之间只需要做一次握手操作，就可以在客户端和服务器之间实现双向通信，所以，WebSocket可以作为**服务器推送**的实现技术之一。因为它本身以HTTP协议为基础，所以对HTTP协议有着更好的兼容性，无论是通信效率还是传输的安全性都能得到保证。WebSocket没有同源限制，客户端可以和任意服务器端进行通信，因此具备通过一个单一连接来支持上下游通信的能力。从本质上来讲，WebSocket是一个在握手阶段使用HTTP协议的TCP/IP协议，换句话说，一旦握手成功，WebSocket就和HTTP协议再无瓜葛，下图展示了它与HTTP协议的区别：
构建一个聊天室
OK，在对WebSocket有了一个基本的认识以后，接下来，我们以一个最简单的场景来体验下WebSocket。这个场景是什么呢？你已经知道了，答案就是网络聊天室。这是一个非常典型的实时场景。这里我们分为服务端实现和客户端实现，其中：服务端实现自豪地采用.NET Core，而客户端实现采用Vue的双向绑定特性。现在是公元2018年了，当jQuery已成往事，操作DOM这种事情交给框架去做就好，而且我本人很喜欢MVVM这种模式，Vue的渐进式框架，非常适合我这种不会写ES6的伪前端。
.NET Core与中间件
关于.NET Core中对WebSocket的支持，这里主要参考了官方文档，在这篇文档中，演示了一个最基本的Echo示例，即服务端如何接收客户端消息并返回消息给客户端。这里，我们首先需要安装Microsoft.AspNetCore.WebSockets这个库，直接通过Visual Studio Code内置的终端安装即可。接下来，我们需要在Startup类的Configure方法中添加WebSocket中间件：
app.UseWebSockets()
更一般地，我们可以配置以下两个配置，其中，KeepAliveInterval表示向客户端发送Ping帧的时间间隔；ReceiveBufferSize表示接收数据的缓冲区大小：
var webSocketOptions = new WebSocketOptions()
{
KeepAliveInterval = TimeSpan.FromSeconds(120),
ReceiveBufferSize = 4 * 1024
};
app.UseWebSockets(webSocketOptions);
好了，那么怎么接收一个来自客户端的请求呢？这里以官方文档中的示例代码为例来说明。首先，我们需要判断下请求的地址，这是客户端和服务端约定好的地址，默认为**/，这里我们以/ws为例；接下来，我们需要判断当前的请求上下文是否为WebSocket请求，通过context.WebSockets.IsWebSocketRequest来判断。当这两个条件同时满足时，我们就可以通过context.WebSockets.AcceptWebSocketAsync()**方法来得到WebSocket对象，这样就表示“握手”完成，这样我们就可以开始接收或者发送消息啦。
if (context.Request.Path == "/ws")
{
if (context.WebSockets.IsWebSocketRequest)
{
WebSocket webSocket = await context.WebSockets.AcceptWebSocketAsync();
//TODO
}
});
一旦建立了Socket连接，客户端和服务端之间就可以开始通信，这是我们从Socket中收获的经验，这个经验同样适用于WebSocket。这里分别给出WebSocket发送和接收消息的实现，并针对代码做简单的分析。
private async Task SendMessage<TEntity>(WebSocket webSocket, TEntity entity)
{
var Json = JsonConvert.SerializeObject(entity);
var bytes = Encoding.UTF8.GetBytes(Json);
await webSocket.SendAsync(
new ArraySegment<byte>(bytes),
WebSocketMessageType.Text,
true,
CancellationToken.None
);
}
这里我们提供一个泛型方法，它负责对消息进行序列化并转化为byte[]，最终调用**SendAsync()方法发送消息。与之相对应地，客户端会在onmessage()**回调中就会接受到消息，这一点我们放在后面再说。WebSocket接收消息的方式，和传统的Socket非常相似，我们需要将字节流循环读取到一个缓存区里，直至所有数据都被接收完。下面给出基本的代码示例：
var buffer = new ArraySegment<byte>(new byte[bufferSize]);
var result = await webSocket.ReceiveAsync(buffer, CancellationToken.None);
while (!result.EndOfMessage)
{
result = await webSocket.ReceiveAsync(buffer, default(CancellationToken));
}
var json = Encoding.UTF8.GetString(buffer.Array);
json = json.Replace("\0", "").Trim();
return JsonConvert.DeserializeObject<TEntity>(json, new JsonSerializerSettings()
{
DateTimeZoneHandling = DateTimeZoneHandling.Local
});
虽然不大清楚，为什么这里反序列化后的内容中会有大量的**\0**，以及这个全新的类型ArraySegment到底是个什么鬼，不过程序员的一生无非都在纠结这样两个问题，“it works” 和 “it doesn’t works"，就像人生里会让你纠结的无非是”她喜欢你“和”她不喜欢我“这样的问题。有时候，这样的问题简直就是玄学，五柳先生好读书而不求甚解，我想这个道理在这里同样适用，截止到我写这篇博客前，这个代码一直工作得很好，所以，这两个问题我们可以暂时先放在一边，因为眼下还有比这更为重要的事情。
通过这篇文档，我们可以非常容易地构建出一个”实时应用“，可是它离我们这篇文章中的目标依然有点距离，如果各位足够细心的话，就会发现这样一个问题，即示例中的代码都是写在app.Use()方法中的，这样会使我们的Startup类显得臃肿，而熟悉OWIN或者ASP.NET Core的朋友，就会知道Startup类是一个非常重要的东西，我们通常会在这里配置相关的组件。在ASP.NET Core中，我们可以通过Configure()方法来为IApplicationBuilder增加相关组件，这种组件通常被称为中间件。那么，什么是中间件呢？
从这张图中可以看出，中间件实际上是指在HTTP请求管道中处理请求和响应的组件，每个组件都可以决定是否要将请求传递给下一个组件，比如身份认证、日志记录就是最为常见的中间件。在ASP.NET Core中，我们通过app.Use()方法来定义一个Func<RequestDelegate,RequestDelegate>类型的参数，所以，我们可以简单地认为，在ASP.NET Core中，Func<RequestDelegate,RequestDelegate>就是一个中间件，而通过app.Use()方法，这些中间件会根据注册的先后顺序组成一个链表，每一个中间件的输入是上一个中间件的输出，每一个中间件的输出则会成为下一个中间件的输入。简而言之，每一个RequestDelegate对象不仅包含了自身对请求的处理，而且包含了后续中间件对请求的处理，我们来看一个简单的例子：
app.Use(async (context,next)=>
{
await context.Response.WriteAsync("这是第一个中间件\r\n");
await next();
});
app.Use(async (context,next)=>
{
await context.Response.WriteAsync("这是第二个中间件\r\n");
await next();
});
app.Use(async (context,next)=>
{
await context.Response.WriteAsync("这是第三个中间件\r\n");
await next();
});
通过Postman或者任意客户端发起请求，我们就可以得到下面的结果，现在想象一下，如果我们在第一种中间件中不调用next()会怎么样呢？答案是中间件之间的链路会被打断，这意味着后续的第二个、第三个中间件都不会被执行。什么时候我们会遇到这种场景呢？当我们的认证中间件认为一个请求非法的时候，此时我们不应该让用户访问后续的资源，所以直接返回403对该请求进行拦截。在大多数情况下，我们需要让请求随着中间件的链路传播下去，所以，对于每一个中间件来说，除了完成自身的处理逻辑以外，还至少需要调用一次next()，以保证下一个中间件会被调用，这其实和职责链模式非常相近，可以让数据在不同的处理管道中进行传播。
OK，这里我们继续遵从这个约定，将整个聊天室相关的逻辑写到一个中间件里，这样做的好处是，我们可以将不同的WebSocket互相隔离开，同时可以为我们的Startup类”减负“。事实证明，这是一个正确的决定，在开发基于WebSocket的弹幕功能时，我们就是用这种方式开发了新的中间件。这里，我们给出的是WebSocketChat中间件中最为关键的部分，详细的代码我已经放在Github上啦，大家可以参考WebSocketChat类，其基本原理是：使用一个字典来存储每一个聊天室中的会话(Socket)，当用户打开或者关闭一个WebSocket连接时，会向服务器端发送一个事件(Event)，这样客户端中持有的用户列表将被更新，而根据发送的消息，可以决定这条消息是被发给指定联系人还是群发：
public async Task Invoke(HttpContext context)
{
if (!IsWebSocket(context))
{
await _next.Invoke(context);
return;
}
var userName = context.Request.Query["username"].ToArray()[0];
var webSocket = await context.WebSockets.AcceptWebSocketAsync();
while (webSocket.State == WebSocketState.Open)
{
var entity = await Receiveentity<MessageEntity>(webSocket);
switch (entity.Type)
{
case MessageType.Chat:
await HandleChat(webSocket, entity);
break;
case MessageType.Event:
await HandleEvent(webSocket, entity);
break;
}
}
await webSocket.CloseAsync(WebSocketCloseStatus.NormalClosure, "Close", default(CancellationToken));
}
其中，HandleEvent负责对事件进行处理，HandleChat负责对消息进行处理。当有用户加入聊天室的时候，首先会向所有客户端广播一条消息，告诉大家有新用户加入了聊天室，与此同时，为了让大家可以和新用户进行通信，必须将新的用户列表推送到客户端。同理，当有用户离开聊天室的时候，服务器端会有类似的事件推送到客户端。事件同样是基于消息来实现的，不过这两种采用的数据结构不同，具体大家可以通过源代码来了解。发送消息就非常简单啦，给指定用户发送消息是通过用户名来找WebSocket对象，而群发消息就是遍历字典中的所有WebSocket对象，这一点我们不再详细说啦！
Vue驱动的客户端
在实现服务端的WebSocket以后，我们就可以着手客户端的开发啦！这里我们采用原生的WebSocket API来开发相关功能。具体来讲，我们只需要实例化一个WebSocket类，并设置相应地回调函数就可以了，我们一起来看下面的例子：
var username = "PayneQin"
var websocket = new WebSocket("ws://localhost:8002/ws?username=" + username);
这里我们使用**/s这个路由来访问WebSocket，相应地，在服务端代码中我们需要判断context.Request.Path**，WebSocket在握手阶段是基于HTTP协议的，所以我们可以以QueryString的形式给后端传递一个参数，这里我们需要一个用户名，它将作为服务端存储WebSocket时的一个键。一旦建立了WebSocket，我们就可以通过回调函数来监听服务器端的响应，或者是发送消息给服务器端。主要的回调函数有onopen、onmessage、onerror和onclose四个，基本使用方法如下：
websocket.onopen = function () {
console.log("WebSocket连接成功");
};
websocket.onmessage = function (event) {
console.log("接收到服务端消息：" + event.data)
};
websocket.onerror = function () {
console.log("WebSocket连接发生错误");
};
websocket.onclose = function () {
console.log("WebSocket连接关闭");
};
原生的WebSocket API只有两个方法，即send()和close()，这两个方法非常的简单，我们这里不再说明。需要说明的是，客户端使用了Vue来做界面相关的绑定，作为一个不会写CSS、不会写ES6的伪前端，我做了一个相当简洁(简陋)的前端页面，下面给出主要的页面结构，ViewModel层的代码比较多，大家可以参考这里：
<div id="app">
Hi，{{ username }}。欢迎来到WebSocket聊天室！
<hr/> 发送给：
<select v-model="sendTo">
<option value="All">全部</option>
<option v-for="user in userList" :value="user">{{user}}</option>
</select>
<hr/>
<input id="text" type="text" v-model="message" />
<button v-on:click="sendMessage">发送消息</button>
<hr/>
<button v-on:click="openWebSocket">打开WebSocket连接</button>
<button v-on:click="closeWebSocket">关闭WebSocket连接</button>
<button v-on:click="clearMessageList">清空聊天记录</button>
<hr/>
<div id="messageList" v-html="messageList">
{{ messageList }}
</div>
</div>
下面是实际的运行效果，果然是非常简洁呢，哈哈😆
再看Websocket
好了，我们花了如此大的篇幅来讲WebSocket，那么你对WebSocket了解了多少呢？或许通过这个聊天室的实例，我们对WebSocket有了一个相对直观的认识，可你是否想过换一个角度来认识它呢？我们说过，WebSocket是以HTTP协议为基础的，那么至少可以在握手阶段捕获到相关请求吧！果断在Chrome中打开”开发者工具“，在面板上选择监听”WebSocket"，然后我们就会得到下面的内容。
相比HTTP协议，WebSocket在握手阶段的请求有所变化，主要体现在Upgrade、Connection这两个字段，以及Sec-WebSocket系列的这些字段。下面来分别解释下这些字段的含义，Upgrade和Connection这两个字段，是最为关键的两个字段，它的目的是告诉Apache、Nginx这些服务器，这是一个WebSocket请求。接下来，是Sec-WebSocket-Key、Sec-WebSocket-Protocol和Sec-WebSocket-Version这三个字段，其中Sec-WebSocket-Key是一个由浏览器采用Base64算法随机生成的字符串，目的是验证服务器是否真的支持WebSocket；Sec-WebSocket-Protocol则是一个由用户指定的字符串，目的是区分同一URL下，不同服务所需要的协议；Sec-WebSocket-Version是告诉服务器浏览器支持的WebSocket版本，标准规定9-12的版本号是保留字段，所以在这里我们看到的版本号是13.
那么，对于这个浏览器发起的这个请求，服务端是如何做出响应的呢？这就要来看看服务端返回的内容。 和客户端发起的请求类似，服务端返回的内容中依然会有Upgrade和Connection这两个字段，它们和请求中的含义是完全一致的。这里需要说明的是Sec-WebSocket-Accept这个字段，我们前面提到，浏览器会通过WebSocket-Key检验服务器是否真的支持WebSocket，具体怎么检验呢？是通过下面的算法。除此之外，一个特殊的地方是这个Response的状态码是101，这表示服务端说：下面我们就按照WebSocket协议来通信吧！当然，一个更为残酷的现实是，从这里开始，就不再是HTTP协议的势力范围了啊：
sec-websocket-accept = base64(hsa1(sec-websocket-key + 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11))
本文小结
这篇文章选取了“实时应用”这样一个业务场景作为切入点，引出了本文的主题——WebSocket。WebSocket是一种建立在HTTP协议基础上的双向通信协议，它弥补了以“请求-响应”模型为基础的HTTP协议先天上的不足，客户端无需再通过“轮询”这种方式来获取服务端的状态变化。WebSocket在完成“握手”后，即可以长连接的方式在客户端和服务端间构建双向通道，因而WebSocket可以在实时应用场景下，作为服务器推送技术的一种方案选择。本文以一个WebSocket聊天室的案例，来讲解WebSocket在实际项目中的应用，在这里我们使用ASP.NET Core来完成服务端WebSocket的实现，而客户端选用原生WebSocket API和Vue来实现，在此基础上，我们讲解了ASP.NET Core下中间件的概念，并将服务器端WebSocket以中间件的形式实现。在下一篇文章中，我们将偏重于服务器端的数据推送，客户端将作为数据展现层而存在。好了，以上就是这篇文章的全部内容啦，谢谢大家，让我们一起期待下一篇文章吧！