WebSocket: Dvipusio ryšio realiu laiku paaiškinimas

Šiandieniniame tarpusavyje susietame pasaulyje realaus laiko ryšys yra itin svarbus daugeliui programų – nuo internetinių žaidimų ir finansų prekybos platformų iki bendro dokumentų redagavimo ir greitųjų pranešimų. WebSocket technologija yra galingas sprendimas, leidžiantis užmegzti nuolatinį, dvipusį ryšį tarp kliento ir serverio. Šiame straipsnyje gilinamasi į WebSocket sudėtingumą, nagrinėjami jo privalumai, naudojimo atvejai, įgyvendinimo detalės ir lyginama su alternatyviais realaus laiko ryšio metodais.

Kas yra WebSocket?

WebSocket yra ryšio protokolas, leidžiantis pilnai dvipusius ryšio kanalus per vieną TCP jungtį. Skirtingai nuo HTTP, kuris seka užklausos-atsako modelį, WebSocket leidžia serveriui ir klientui siųsti duomenis vienas kitam vienu metu, nereikalaujant pakartotinių užklausų. Šis nuolatinis ryšys drastiškai sumažina delsą ir režiją, todėl idealiai tinka realaus laiko programoms.

Pagrindinės charakteristikos:

• Pilnai dvipusis: Duomenys gali tekėti abiem kryptimis (klientas į serverį ir serveris į klientą) vienu metu.
• Nuolatinis ryšys: Viena TCP jungtis lieka atvira visą ryšio sesijos laiką, pašalinant naujos jungties užmezgimo režiją kiekvienam pranešimui.
• Maža delsa: Sumažinta režija ir nuolatinis ryšys lemia žymiai mažesnę delsą, palyginti su tradiciniais HTTP pagrįstais metodais.
• Standartizuotas protokolas: Apibrėžtas RFC 6455, užtikrinantis sąveikumą tarp skirtingų platformų ir įgyvendinimų.

Kaip veikia WebSocket

WebSocket ryšio procesas prasideda nuo HTTP užmezgimo. Klientas siunčia HTTP užklausą serveriui, atnaujindamas ryšį į WebSocket jungtį. Ši atnaujinimo užklausa apima specifinius antraštes, pvz., Upgrade: websocket ir Connection: Upgrade, signalizuojančias ketinimą užmegzti WebSocket ryšį.

Jei serveris palaiko WebSocket ir priima atnaujinimo užklausą, jis atsako HTTP 101 Switching Protocols atsakymu, patvirtinančiu sėkmingą WebSocket jungties užmezgimą. Kai ryšys užmegztas, duomenys gali būti perduodami abiem kryptimis naudojant WebSocket rėmus, kurie yra daug mažesni ir efektyvesni nei HTTP antraštės.

Užmezgimo procesas:

1. Kliento užklausa: Klientas siunčia HTTP atnaujinimo užklausą serveriui.
2. Serverio atsakymas: Jei serveris priima užklausą, jis siunčia HTTP 101 Switching Protocols atsakymą.
3. Nuolatinis ryšys: TCP jungtis atnaujinama į WebSocket jungtį, leidžiančią dvipusį ryšį.

WebSocket privalumai

WebSocket siūlo keletą privalumų, palyginti su tradiciniais HTTP pagrįstais metodais realaus laiko ryšiui:

• Sumažinta delsa: Nuolatinis ryšys pašalina pakartotinio naujų jungčių užmezgimo režiją, todėl delsa yra žymiai mažesnė. Tai yra itin svarbu programoms, kuriose būtina beveik momentinė informacija, pvz., finansų prekybos platformos, teikiančios tiesioginius rinkos duomenis, arba kelių žaidėjų internetiniai žaidimai, kuriems reikalingas greitas atsakas.
• Mažesnė režija: WebSocket rėmai yra mažesni nei HTTP antraštės, todėl sumažėja tinklu perduodamų duomenų kiekis. Tai sumažina pralaidumo suvartojimą, kuris yra ypač naudingas mobiliosioms programoms arba programoms, veikiančioms vietovėse, kuriose pralaidumas yra ribotas.
• Dvipusis ryšys: Ir klientas, ir serveris gali siųsti duomenis vienas kitam vienu metu, įgalindami realaus laiko sąveiką ir bendradarbiavimo programas. Pagalvokite apie bendradarbiavimo dokumentų redagavimo įrankius, pvz., Google Docs, kur keli vartotojai gali vienu metu modifikuoti tą patį dokumentą ir matyti vienas kito pakeitimus realiuoju laiku.
• Mąstymas: WebSocket serveriai gali apdoroti didelį skaičių vienu metu veikiančių jungčių, todėl jie tinka didelio srauto programoms. Tinkamai suprojektuoti WebSocket įgyvendinimai gali būti horizontaliai masteliami per kelis serverius, kad atitiktų didėjantį vartotojų poreikį.
• Standartizacija: WebSocket yra standartizuotas protokolas, užtikrinantis sąveikumą tarp skirtingų platformų ir įgyvendinimų. Tai palengvina WebSocket integravimą į esamas sistemas ir programų kūrimą, kurios gali veikti įvairiuose įrenginiuose.

WebSocket naudojimo atvejai

WebSocket puikiai tinka įvairioms realaus laiko programoms:

• Internetiniai žaidimai: Realaus laiko kelių žaidėjų žaidimams reikia mažos delsos ir dvipusio ryšio, kad būtų užtikrintas sklandus ir greitas žaidimas. WebSocket leidžia žaidimų serveriams efektyviai perduoti žaidimo būsenos atnaujinimus visiems prijungtiems žaidėjams ir gauti žaidėjų veiksmus realiuoju laiku. Pagalvokite apie masinius kelių žaidėjų internetinius vaidmenų žaidimus (MMORPG), kur šimtai ar tūkstančiai žaidėjų bendrauja vienu metu bendrame virtualiame pasaulyje.
• Finansų prekybos platformos: Finansų programoms reikia realaus laiko rinkos duomenų atnaujinimų ir greito užsakymų vykdymo. WebSocket suteikia greitį ir efektyvumą, reikalingą šių duomenų pateikimui prekybininkams ir jų užsakymų greitam vykdymui. Pavyzdžiui, akcijų prekybos platformos naudoja WebSocket, kad transliuotų tiesiogines kainų citatas, naujienų įspėjimus ir prekybos signalus savo vartotojams.
• Pokalbių programos: Greitųjų pranešimų programos remiasi realaus laiko ryšiu, kad greitai ir efektyviai pristatytų pranešimus. WebSocket leidžia pokalbių serveriams realiuoju laiku siųsti naujus pranešimus vartotojams, nereikalaujant nuolatinio apklausos. Programos, tokios kaip WhatsApp, Telegram ir Slack, labai priklauso nuo WebSocket ar panašių technologijų jų realaus laiko pranešimų galimybėms.
• Bendradarbiavimo programos: Programoms, tokioms kaip bendras dokumentų redagavimas, internetinės lentos ir projektų valdymo įrankiai, reikia realaus laiko atnaujinimų ir sinchronizavimo. WebSocket leidžia šioms programoms teikti sklandžią ir bendradarbiavimo patirtį. Pavyzdžiui, internetinės lentos leidžia keliems vartotojams piešti ir komentuoti kartu realiuoju laiku, todėl jos idealiai tinka smegenų šturmo sesijoms ir nuotoliniam bendradarbiavimui.
• Realiojo laiko stebėjimas ir analizė: Programos, kurios stebi sistemos veikimą, tinklo srautą ar jutiklių duomenis, gali naudoti WebSocket duomenų srautui realiuoju laiku. Tai leidžia vartotojams vizualizuoti ir analizuoti duomenis juos generuojant, todėl jie gali greitai nustatyti ir reaguoti į problemas. Pavyzdžiui, serverio stebėjimo skydelis gali naudoti WebSocket realaus laiko CPU naudojimo, atminties sunaudojimo ir tinklo srauto statistikai rodyti.
• IoT (daiktų internetas) programos: IoT įrenginiams dažnai reikia realiuoju laiku bendrauti su centriniais serveriais, kad būtų galima perduoti jutiklių duomenis, gauti komandas ar atnaujinti programinę įrangą. WebSocket suteikia efektyvų ir patikimą ryšio kanalą šiems įrenginiams. Pavyzdžiui, išmanusis namų sistema gali naudoti WebSocket ryšiui tarp jutiklių, pavarų ir centrinio valdymo centro.

WebSocket įgyvendinimas

WebSocket įgyvendinimas paprastai apima WebSocket bibliotekos arba sistemos naudojimą tiek klientui, tiek serveriui.

Kliento pusės įgyvendinimas:

Dauguma šiuolaikinių interneto naršyklių turi vietinį WebSocket palaikymą per WebSocket API. Galite naudoti JavaScript, kad sukurtumėte WebSocket ryšį, siųstumėte ir gautumėte pranešimus ir tvarkytumėte ryšio įvykius.

// Sukurti WebSocket ryšį
const socket = new WebSocket('ws://example.com/socket');

// Tvarkyti ryšio atidarymo įvykį
socket.addEventListener('open', (event) => {
 console.log('Prisijungta prie WebSocket serverio');
 socket.send('Sveiki, servery!');
});

// Tvarkyti gauto pranešimo įvykį
socket.addEventListener('message', (event) => {
 console.log('Pranešimas iš serverio: ', event.data);
});

// Tvarkyti ryšio uždarymo įvykį
socket.addEventListener('close', (event) => {
 console.log('Atsijungta nuo WebSocket serverio');
});

// Tvarkyti klaidų įvykį
socket.addEventListener('error', (event) => {
 console.error('WebSocket klaida: ', event);
});

Serverio pusės įgyvendinimas:

Keletas serverio bibliotekų ir sistemų palaiko WebSocket įvairiomis programavimo kalbomis, įskaitant Node.js, Python, Java ir Go.

Node.js pavyzdys (naudojant ws biblioteką):

const WebSocket = require('ws');

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

wss.on('connection', ws => {
 console.log('Klientas prisijungė');

 ws.on('message', message => {
 console.log(`Gautas pranešimas: ${message}`);
 ws.send(`Serveris gavo: ${message}`);
 });

 ws.on('close', () => {
 console.log('Klientas atsijungė');
 });

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

console.log('WebSocket serveris paleistas per 8080 prievadą');

Python pavyzdys (naudojant websockets biblioteką):

import asyncio
import websockets

async def echo(websocket, path):
 async for message in websocket:
 print(f"Gautas pranešimas: {message}")
 await websocket.send(f"Serveris gavo: {message}")

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

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

Tai tik pagrindiniai pavyzdžiai. Realūs įgyvendinimai dažnai apima sudėtingesnę logiką, skirtą autentifikavimui, autorizacijai, pranešimų maršrutizavimui ir klaidų tvarkymui.

WebSocket vs. kiti realaus laiko ryšio metodai

Nors WebSocket yra galingas įrankis realaus laiko ryšiui, jis ne visada yra geriausias sprendimas kiekvienam scenarijui. Kiti realaus laiko ryšio metodai, tokie kaip Serverio siunčiami įvykiai (SSE) ir HTTP apklausa, gali būti tinkamesni, atsižvelgiant į konkrečius programos reikalavimus.

Serverio siunčiami įvykiai (SSE)

Serverio siunčiami įvykiai (SSE) yra vienkryptis ryšio protokolas, kai serveris siunčia duomenis klientui. Skirtingai nuo WebSocket, SSE yra pagrįstas HTTP ir nereikalauja nuolatinio ryšio. Serveris siunčia tekstiniais įvykiais pagrįstą srautą klientui, kurį klientas gali apdoroti.

SSE privalumai:

• Paprastumas: SSE yra lengviau įgyvendinti nei WebSocket, nes jis yra pagrįstas HTTP ir nereikalauja užmezgimo proceso.
• HTTP suderinamumas: SSE veikia per standartinį HTTP, todėl jis suderinamas su esama infrastruktūra ir ugniasienėmis.

SSE trūkumai:

• Vienkryptis: SSE leidžia tik serveriui siųsti duomenis klientui. Klientas negali siųsti duomenų atgal į serverį naudodamas SSE.
• Didesnė delsa: Nors SSE pateikia beveik realaus laiko atnaujinimus, jo delsa gali būti šiek tiek didesnė nei WebSocket dėl HTTP režijos.

SSE naudojimo atvejai:

• Realaus laiko naujienų srautai
• Akcijų kainų atnaujinimai
• Serverio pusės stebėjimas

HTTP apklausa

HTTP apklausa – tai metodas, kai klientas pakartotinai siunčia HTTP užklausas serveriui, kad patikrintų, ar yra atnaujinimų. Yra du pagrindiniai HTTP apklausos tipai: trumpa apklausa ir ilga apklausa.

Trumpa apklausa: Klientas reguliariais intervalais siunčia užklausą serveriui, nepriklausomai nuo to, ar yra kokių nors atnaujinimų. Jei yra atnaujinimų, serveris juos grąžina atsakyme. Jei nėra atnaujinimų, serveris grąžina tuščią atsakymą.

Ilga apklausa: Klientas siunčia užklausą serveriui ir laukia, kol serveris atsakys su atnaujinimu. Jei nėra atnaujinimų, serveris palieka ryšį atidarytą, kol atnaujinimas tampa prieinamas arba baigiasi laikas. Kai atnaujinimas tampa prieinamas arba baigiasi laikas, serveris siunčia atsakymą klientui. Tada klientas nedelsdamas siunčia dar vieną užklausą serveriui, kad pakartotų procesą.

HTTP apklausos privalumai:

• Suderinamumas: HTTP apklausa veikia su bet kuriuo interneto serveriu ir nereikalauja jokių specialių protokolų ar bibliotekų.
• Paprastumas: HTTP apklausą gana lengva įdiegti.

HTTP apklausos trūkumai:

• Didelė delsa: HTTP apklausa gali turėti didelę delsą, ypač su trumpa apklausa, nes klientas gali turėti laukti kito apklausos intervalo, kol gaus atnaujinimus.
• Didelė režija: HTTP apklausa gali generuoti daug nereikalingo srauto, nes klientas pakartotinai siunčia užklausas serveriui, net jei nėra atnaujinimų.

HTTP apklausos naudojimo atvejai:

• Programos, kuriose realaus laiko atnaujinimai nėra kritiniai
• Situacijos, kai WebSocket ar SSE nepalaikomi

Palyginimo lentelė

Savybė	WebSocket	SSE	HTTP apklausa
Ryšio kryptis	Dvipusis	Vienkryptis (Serveris į klientą)	Dvipusis (Užklausa/Atsakas)
Ryšio tipas	Nuolatinis TCP ryšys	HTTP ryšys (srautinis)	HTTP ryšys (kartojamas)
Delsa	Maža	Vidutinė	Aukšta
Režija	Maža	Vidutinė	Aukšta
Sudėtingumas	Vidutinis	Žemas	Žemas
Naudojimo atvejai	Realaus laiko žaidimai, pokalbių programos, finansų prekybos platformos	Realaus laiko naujienų srautai, akcijų kainų atnaujinimai, serverio pusės stebėjimas	Programos, kuriose realaus laiko atnaujinimai nėra kritiniai

Saugumo aspektai

Įgyvendinant WebSocket, svarbu atsižvelgti į geriausią saugumo praktiką, kad apsisaugotumėte nuo galimų pažeidžiamumų.

• Naudokite TLS/SSL: Visada naudokite TLS/SSL šifravimą (wss://), kad apsaugotumėte WebSocket ryšius ir apsaugotumėte duomenis tranzito metu. Tai apsaugo nuo pasiklausymo ir „man-in-the-middle“ atakų.
• Patvirtinkite įvestį: Kruopščiai patvirtinkite ir išvalykite visus duomenis, gautus iš kliento, kad išvengtumėte injekcijų atakų. Tai apima duomenų tipo, formato ir ilgio tikrinimą ir potencialiai kenksmingų simbolių atmetimą.
• Įgyvendinkite autentifikavimą ir autorizaciją: Įdiekite tvirtus autentifikavimo ir autorizavimo mechanizmus, kad užtikrintumėte, jog prie WebSocket išteklių galėtų patekti tik įgalioti vartotojai. Tai gali apimti tokių metodų kaip JSON Web Tokens (JWT) arba OAuth 2.0 naudojimą.
• Apribokite greitį: Įdiekite greičio apribojimą, kad išvengtumėte atsisakymo paslaugos (DoS) atakų. Tai apriboja užklausų skaičių, kurį klientas gali pateikti per tam tikrą laikotarpį.
• Patvirtinkite kilmę: Patvirtinkite WebSocket ryšių kilmę, kad išvengtumėte kryžminio svetainės WebSocket įsilaužimo (CSWSH) atakų. Tai užtikrina, kad būtų priimami tik ryšiai iš patikimų šaltinių.
• Reguliariai atnaujinkite bibliotekas: Atnaujinkite savo WebSocket bibliotekas ir sistemas, kad ištaisytumėte bet kokius žinomus saugumo pažeidžiamumus.

Išvada

WebSocket yra galinga technologija, leidžianti užmegzti realaus laiko dvipusį ryšį tarp klientų ir serverių. Maža delsa, sumažinta režija ir pilnai dvipusės galimybės daro jį idealų įvairioms programoms – nuo internetinių žaidimų ir finansų prekybos platformų iki pokalbių programų ir bendradarbiavimo įrankių. Suprasdami WebSocket principus, jo privalumus ir apribojimus, kūrėjai gali pasinaudoti šia technologija, kad sukurtų patrauklią ir greitai reaguojančią realaus laiko patirtį vartotojams visame pasaulyje. Rinkdamiesi tarp WebSocket, Serverio siunčiamų įvykių (SSE) ir HTTP apklausos, kruopščiai apsvarstykite konkrečius savo programos reikalavimus, įskaitant dvipusio ryšio poreikį, jautrumą delsai ir suderinamumą su esama infrastruktūra. Ir visada teikite pirmenybę saugumui įgyvendindami WebSocket, kad apsaugotumėte nuo galimų pažeidžiamumų ir užtikrintumėte savo vartotojų ir jų duomenų saugumą.