.NET WebSocket 核心原理初体验

上个月我写了《.NET gRPC核心功能初体验》， 里面使用gRPC双向流做了一个打乒乓球的Demo， [实时][双向]这两个标签是不是很熟悉，对， WebSockets也可以做实时双向通信。

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）：

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/1.1
Host: example.com:80
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: L4kHN+1Bx7zKbxsDbqgzHw==
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：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
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

dotnet new webapi -n WebSocketsTutorial
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。

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');

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✌️。

(???? 预告：下期将对比gRPC和WebSockets的差异和使用场景)

# 更多干货

• 前后端分离，如何在前端项目中动态插入后端API基地址？（in docker）
  

• 全网最通透的“闭包”认知 · 跨越语言

• 墙裂推荐：这可能是CAP理论的最好解释

• 鹅厂二面，Nginx回忆录

• 实话实说：只会.NET，会让我们一直处于鄙视链、食物链的下游