WebSocket: reaalajas kahesuunalise suhtluse selgitus

Tänapäeva ühendatud maailmas on reaalajas suhtlus ülioluline paljude rakenduste jaoks, alates võrgumängudest ja finantskauplemisplatvormidest kuni koostööl põhinevate dokumendiredaktorite ja kiirsõnumirakendusteni. WebSocket-tehnoloogia pakub võimsat lahendust püsiva, kahesuunalise side loomiseks kliendi ja serveri vahel. See artikkel süveneb WebSocketi keerukustesse, uurides selle eeliseid, kasutusjuhtusid, rakendamise üksikasju ja võrreldes seda alternatiivsete reaalajas sidemeetoditega.

Mis on WebSocket?

WebSocket on sideprotokoll, mis võimaldab täisdupleksseid sidekanaleid ühe TCP-ühenduse kaudu. Erinevalt HTTP-st, mis järgib päringu-vastuse mudelit, võimaldab WebSocket serveril ja kliendil üksteisele samaaegselt andmeid saata ilma korduvate päringute vajaduseta. See püsiv ühendus vähendab drastiliselt latentsust ja lisakulu, muutes selle ideaalseks reaalajas rakenduste jaoks.

Põhiomadused:

• Täisdupleks: Andmed saavad liikuda mõlemas suunas (kliendilt serverile ja serverilt kliendile) samaaegselt.
• Püsiv ühendus: Üksainus TCP-ühendus jääb avatuks kogu suhtlusseansi ajaks, välistades uue ühenduse loomise lisakulu iga sõnumi jaoks.
• Madal latentsus: Vähendatud lisakulu ja püsiv ühendus tagavad oluliselt madalama latentsuse võrreldes traditsiooniliste HTTP-põhiste lähenemistega.
• Standardiseeritud protokoll: Määratletud RFC 6455-ga, tagades koostalitlusvõime erinevate platvormide ja rakenduste vahel.

Kuidas WebSocket töötab

WebSocketi suhtlusprotsess algab HTTP kätlusega. Klient saadab serverile HTTP-päringu, uuendades ühenduse WebSocket-ühenduseks. See uuendustaotlus sisaldab spetsiifilisi päiseid, nagu Upgrade: websocket ja Connection: Upgrade, mis annavad märku kavatsusest luua WebSocket-ühendus.

Kui server toetab WebSocketi ja aktsepteerib uuendustaotluse, vastab see HTTP 101 Switching Protocols vastusega, kinnitades WebSocket-ühenduse edukat loomist. Kui ühendus on loodud, saab andmeid edastada mõlemas suunas, kasutades WebSocketi raame, mis on palju väiksemad ja tõhusamad kui HTTP päised.

Kätlusprotsess:

1. Kliendi päring: Klient saadab serverile HTTP Upgrade päringu.
2. Serveri vastus: Kui server aktsepteerib päringu, saadab ta HTTP 101 Switching Protocols vastuse.
3. Püsiv ühendus: TCP-ühendus uuendatakse WebSocket-ühenduseks, võimaldades kahesuunalist suhtlust.

WebSocketi eelised

WebSocket pakub reaalajas suhtluseks mitmeid eeliseid võrreldes traditsiooniliste HTTP-põhiste lähenemistega:

• Vähendatud latentsus: Püsiv ühendus välistab uute ühenduste korduva loomise lisakulu, mille tulemuseks on oluliselt madalam latentsus. See on ülioluline rakenduste jaoks, kus peaaegu hetkelised uuendused on hädavajalikud, nagu näiteks reaalajas turuandmeid pakkuvad finantskauplemisplatvormid või tundlikku suhtlust nõudvad mitme mängijaga võrgumängud.
• Madalam lisakulu: WebSocketi raamid on väiksemad kui HTTP päised, vähendades võrgu kaudu edastatavate andmete hulka. See vähendab ribalaiuse tarbimist, mis on eriti kasulik mobiilirakendustele või piiratud võrgu ribalaiusega piirkondades töötavatele rakendustele.
• Kahesuunaline suhtlus: Nii klient kui ka server saavad üksteisele samaaegselt andmeid saata, võimaldades reaalajas suhtlust ja koostöörakendusi. Mõelge koostööl põhinevatele dokumendiredaktoritele nagu Google Docs, kus mitu kasutajat saavad samaaegselt sama dokumenti muuta ja näha üksteise muudatusi reaalajas.
• Skaleeritavus: WebSocketi serverid suudavad käsitleda suurt hulka samaaegseid ühendusi, muutes need sobivaks suure liiklusega rakenduste jaoks. Korralikult disainitud WebSocketi rakendusi saab skaleerida horisontaalselt mitme serveri vahel, et rahuldada kasvavat kasutajate nõudlust.
• Standardiseerimine: WebSocket on standardiseeritud protokoll, mis tagab koostalitlusvõime erinevate platvormide ja rakenduste vahel. See lihtsustab WebSocketi integreerimist olemasolevatesse süsteemidesse ja rakenduste arendamist, mis töötavad erinevates seadmetes.

WebSocketi kasutusjuhud

WebSocket sobib hästi paljudele reaalajas rakendustele:

• Veebimängud: Reaalajas mitme mängijaga mängud nõuavad madalat latentsust ja kahesuunalist suhtlust, et tagada sujuv ja tundlik mängukogemus. WebSocket võimaldab mänguserveritel tõhusalt edastada mänguseisundi uuendusi kõigile ühendatud mängijatele ja vastu võtta mängijate tegevusi reaalajas. Mõelge massiivsetele mitme mängijaga online-rollimängudele (MMORPG), kus sajad või tuhanded mängijad suhtlevad samaaegselt ühises virtuaalmaailmas.
• Finantskauplemisplatvormid: Finantsrakendused nõuavad reaalajas turuandmete uuendusi ja kohest korralduste täitmist. WebSocket pakub kiirust ja tõhusust, mis on vajalik nende andmete edastamiseks kauplejatele ja nende korralduste kiireks täitmiseks. Näiteks kasutavad aktsiakauplemisplatvormid WebSocketi reaalajas hinnapakkumiste, uudiste teadete ja kauplemissignaalide voogedastamiseks oma kasutajatele.
• Vestlusrakendused: Kiirsõnumirakendused tuginevad reaalajas suhtlusele, et edastada sõnumeid kiiresti ja tõhusalt. WebSocket võimaldab vestlusserveritel uusi sõnumeid kasutajatele reaalajas edastada, ilma et oleks vaja pidevat pollimist. Rakendused nagu WhatsApp, Telegram ja Slack tuginevad oma reaalajas sõnumside võimekuses suuresti WebSocketile või sarnastele tehnoloogiatele.
• Koostöörakendused: Rakendused nagu koostööl põhinevad dokumendiredaktorid, veebitahvlid ja projektijuhtimise tööriistad nõuavad reaalajas uuendusi ja sünkroniseerimist. WebSocket võimaldab neil rakendustel pakkuda sujuvat ja koostööl põhinevat kasutajakogemust. Näiteks võimaldavad veebitahvlid mitmel kasutajal reaalajas koos joonistada ja märkmeid teha, muutes need ideaalseks ajurünnakuteks ja kaugkoostööks.
• Reaalajas monitooring ja analüütika: Rakendused, mis jälgivad süsteemi jõudlust, võrguliiklust või andurite andmeid, saavad kasutada WebSocketi andmete reaalajas voogedastamiseks. See võimaldab kasutajatel andmeid visualiseerida ja analüüsida nende tekkimise hetkel, võimaldades neil probleeme kiiresti tuvastada ja neile reageerida. Näiteks saab serveri monitooringu armatuurlaud kasutada WebSocketi reaalajas protsessori kasutuse, mälukasutuse ja võrguliikluse statistika kuvamiseks.
• IoT (asjade internet) rakendused: IoT-seadmed peavad sageli suhtlema keskserveritega reaalajas, et edastada andurite andmeid, vastu võtta käske või uuendada püsivara. WebSocket pakub nendele seadmetele tõhusat ja usaldusväärset sidekanalit. Näiteks saab nutikodu süsteem kasutada WebSocketi suhtlemiseks andurite, täiturseadmete ja keskse juhtimiskeskuse vahel.

WebSocketi rakendamine

WebSocketi rakendamine hõlmab tavaliselt WebSocketi teegi või raamistiku kasutamist nii kliendi kui ka serveri poolel.

Kliendipoolne rakendamine:

Enamikul kaasaegsetel veebibrauseritel on WebSocketi natiivne tugi läbi WebSocket API. Saate kasutada JavaScripti WebSocket-ühenduse loomiseks, sõnumite saatmiseks ja vastuvõtmiseks ning ühenduse sündmuste käsitlemiseks.

// Loome WebSocket ühenduse
const socket = new WebSocket('ws://example.com/socket');

// Ühenduse avamise sündmuse käsitlemine
socket.addEventListener('open', (event) => {
 console.log('Ühendatud WebSocket serveriga');
 socket.send('Tere, server!');
});

// Sõnumi vastuvõtmise sündmuse käsitlemine
socket.addEventListener('message', (event) => {
 console.log('Sõnum serverilt: ', event.data);
});

// Ühenduse sulgemise sündmuse käsitlemine
socket.addEventListener('close', (event) => {
 console.log('Ühendus WebSocket serveriga katkestatud');
});

// Veasündmuse käsitlemine
socket.addEventListener('error', (event) => {
 console.error('WebSocketi viga: ', event);
});

Serveripoolne rakendamine:

Mitmed serveripoolsed teegid ja raamistikud toetavad WebSocketi erinevates programmeerimiskeeltes, sealhulgas Node.js, Python, Java ja Go.

Node.js näide (kasutades ws teeki):

const WebSocket = require('ws');

const wss = new WebSocket.Server({ port: 8080 });

wss.on('connection', ws => {
 console.log('Klient ühendatud');

 ws.on('message', message => {
 console.log(`Saadud sõnum: ${message}`);
 ws.send(`Server sai kätte: ${message}`);
 });

 ws.on('close', () => {
 console.log('Klient lahti ühendatud');
 });

 ws.on('error', error => {
 console.error(`WebSocketi viga: ${error}`);
 });
});

console.log('WebSocket server käivitatud pordil 8080');

Pythoni näide (kasutades websockets teeki):

import asyncio
import websockets

async def echo(websocket, path):
 async for message in websocket:
 print(f"Saadud sõnum: {message}")
 await websocket.send(f"Server sai kätte: {message}")

start_server = websockets.serve(echo, "localhost", 8765)

asyncio.get_event_loop().run_until_complete(start_server)
asyncio.get_event_loop().run_forever()

Need on vaid põhilised näited. Reaalsed rakendused hõlmavad sageli keerukamat loogikat autentimise, autoriseerimise, sõnumite marsruutimise ja vigade käsitlemise jaoks.

WebSocket vs. teised reaalajas sidemeetodid

Kuigi WebSocket on võimas tööriist reaalajas suhtluseks, ei ole see alati parim lahendus igas olukorras. Teised reaalajas sidemeetodid, nagu Server-Sent Events (SSE) ja HTTP pollimine, võivad olla sobivamad sõltuvalt rakenduse spetsiifilistest nõuetest.

Server-Sent Events (SSE)

Server-Sent Events (SSE) on ühesuunaline sideprotokoll, kus server lükkab andmeid kliendile. Erinevalt WebSocketist põhineb SSE HTTP-l ja ei nõua püsivat ühendust. Server saadab kliendile tekstipõhiste sündmuste voo, mida klient saab seejärel töödelda.

SSE eelised:

• Lihtsus: SSE-d on lihtsam rakendada kui WebSocketi, kuna see põhineb HTTP-l ja ei nõua kätlusprotsessi.
• HTTP ühilduvus: SSE töötab standardse HTTP kaudu, muutes selle ühilduvaks olemasoleva infrastruktuuri ja tulemüüridega.

SSE puudused:

• Ühesuunaline: SSE võimaldab ainult serveril andmeid saata kliendile. Klient ei saa SSE abil andmeid serverile tagasi saata.
• Kõrgem latentsus: Kuigi SSE pakub peaaegu reaalajas uuendusi, võib sellel HTTP lisakulu tõttu olla veidi kõrgem latentsus kui WebSocketil.

SSE kasutusjuhud:

• Reaalajas uudisvood
• Aktsiahindade uuendused
• Serveripoolne monitooring

HTTP pollimine

HTTP pollimine on tehnika, mille puhul klient saadab korduvalt serverile HTTP-päringuid uuenduste kontrollimiseks. On olemas kaks peamist tüüpi HTTP pollimist: lühike pollimine ja pikk pollimine.

Lühike pollimine: Klient saadab serverile regulaarsete ajavahemike tagant päringu, olenemata sellest, kas uuendusi on saadaval. Kui uuendusi on, tagastab server need vastuses. Kui uuendusi pole, tagastab server tühja vastuse.

Pikk pollimine: Klient saadab serverile päringu ja ootab, kuni server vastab uuendusega. Kui uuendusi pole saadaval, hoiab server ühendust avatuna, kuni uuendus muutub kättesaadavaks või ilmneb ajalõpp. Kui uuendus on saadaval või ajalõpp toimub, saadab server kliendile vastuse. Seejärel saadab klient kohe uue päringu serverile, et protsessi korrata.

HTTP pollimise eelised:

• Ühilduvus: HTTP pollimine töötab mis tahes veebiserveriga ja ei nõua eriprotokolle ega -teeke.
• Lihtsus: HTTP pollimist on suhteliselt lihtne rakendada.

HTTP pollimise puudused:

• Kõrge latentsus: HTTP pollimisel võib olla märkimisväärne latentsus, eriti lühikese pollimise puhul, kuna klient võib enne uuenduste saamist oodata järgmise pollimisintervallini.
• Kõrge lisakulu: HTTP pollimine võib tekitada palju tarbetut liiklust, kuna klient saadab korduvalt serverile päringuid isegi siis, kui uuendusi pole saadaval.

HTTP pollimise kasutusjuhud:

• Rakendused, kus reaalajas uuendused ei ole kriitilised
• Olukorrad, kus WebSocket või SSE ei ole toetatud

Võrdlustabel

Omadus	WebSocket	SSE	HTTP pollimine
Suhtluse suund	Kahesuunaline	Ühesuunaline (serverilt kliendile)	Kahesuunaline (päring/vastus)
Ühenduse tüüp	Püsiv TCP-ühendus	HTTP-ühendus (voogedastatud)	HTTP-ühendus (korduv)
Latentsus	Madal	Keskmine	Kõrge
Lisakulu	Madal	Keskmine	Kõrge
Keerukus	Keskmine	Madal	Madal
Kasutusjuhud	Reaalajas mängud, vestlusrakendused, finantskauplemisplatvormid	Reaalajas uudisvood, aktsiahindade uuendused, serveripoolne monitooring	Rakendused, kus reaalajas uuendused ei ole kriitilised

Turvakaalutlused

WebSocketi rakendamisel on oluline arvestada turvalisuse parimate tavadega, et kaitsta end võimalike haavatavuste eest.

• Kasutage TLS/SSL-i: Kasutage alati TLS/SSL-krüpteerimist (wss://), et turvata WebSocket-ühendusi ja kaitsta edastatavaid andmeid. See hoiab ära pealtkuulamise ja "mees keskel" rünnakud.
• Valideerige sisendit: Valideerige ja puhastage hoolikalt kõiki kliendilt saadud andmeid, et vältida süstimisrünnakuid. See hõlmab andmetüübi, vormingu ja pikkuse kontrollimist ning võimalike pahatahtlike märkide eemaldamist.
• Rakendage autentimist ja autoriseerimist: Rakendage tugevaid autentimis- ja autoriseerimismehhanisme, et tagada, et ainult volitatud kasutajad saavad WebSocketi ressurssidele juurde pääseda. See võib hõlmata tehnikate nagu JSON Web Tokens (JWT) või OAuth 2.0 kasutamist.
• Päringute piiramine (Rate Limiting): Rakendage päringute piiramist, et vältida teenusetõkestamise (DoS) rünnakuid. See piirab päringute arvu, mida klient saab teatud aja jooksul teha.
• Päritolu valideerimine: Valideerige WebSocket-ühenduste päritolu, et vältida saidiülest WebSocketi kaaperdamise (CSWSH) rünnakuid. See tagab, et aktsepteeritakse ainult ühendusi usaldusväärsetest allikatest.
• Uuendage regulaarselt teeke: Hoidke oma WebSocketi teegid ja raamistikud ajakohasena, et paigata kõik teadaolevad turvaaugud.

Kokkuvõte

WebSocket on võimas tehnoloogia reaalajas kahesuunalise suhtluse võimaldamiseks klientide ja serverite vahel. Selle madal latentsus, vähendatud lisakulu ja täisdupleksvõimalused muudavad selle ideaalseks paljude rakenduste jaoks, alates võrgumängudest ja finantskauplemisplatvormidest kuni vestlusrakenduste ja koostöövahenditeni. Mõistes WebSocketi põhimõtteid, selle eeliseid ja piiranguid, saavad arendajad seda tehnoloogiat kasutada, et luua kaasahaaravaid ja tundlikke reaalajas kogemusi kasutajatele üle maailma. Valides WebSocketi, Server-Sent Events (SSE) ja HTTP pollimise vahel, kaaluge hoolikalt oma rakenduse spetsiifilisi nõudeid, sealhulgas vajadust kahesuunalise suhtluse järele, latentsustundlikkust ja ühilduvust olemasoleva infrastruktuuriga. Ja alati seadke WebSocketi rakendamisel esikohale turvalisus, et kaitsta end võimalike haavatavuste eest ning tagada oma kasutajate ja nende andmete turvalisus.