WebSocket: Reāllaika divvirzienu komunikācijas skaidrojums

Mūsdienu savstarpēji saistītajā pasaulē reāllaika komunikācija ir ļoti svarīga daudzām lietojumprogrammām, sākot no tiešsaistes spēlēm un finanšu tirdzniecības platformām līdz pat sadarbības dokumentu rediģēšanai un tūlītējai ziņojumapmaiņai. WebSocket tehnoloģija nodrošina jaudīgu risinājumu pastāvīgas, divvirzienu komunikācijas nodrošināšanai starp klientu un serveri. Šis raksts iedziļinās WebSocket sarežģītībā, pētot tā priekšrocības, lietošanas gadījumus, ieviešanas detaļas un salīdzinot to ar alternatīvām reāllaika saziņas metodēm.

Kas ir WebSocket?

WebSocket ir komunikācijas protokols, kas nodrošina pilna dupleksa sakaru kanālus, izmantojot vienu TCP savienojumu. Atšķirībā no HTTP, kas seko pieprasījuma-atbildes modelim, WebSocket ļauj serverim un klientam vienlaicīgi sūtīt datus viens otram bez nepieciešamības pēc atkārtotiem pieprasījumiem. Šis pastāvīgais savienojums krasi samazina latentumu un papildu slodzi, padarot to ideāli piemērotu reāllaika lietojumprogrammām.

Galvenās iezīmes:

• Pilns duplekss: Dati var plūst abos virzienos (no klienta uz serveri un no servera uz klientu) vienlaicīgi.
• Pastāvīgs savienojums: Viens TCP savienojums paliek atvērts visu saziņas sesijas laiku, novēršot papildu slodzi, kas saistīta ar jauna savienojuma izveidi katram ziņojumam.
• Zems latentums: Samazināta papildu slodze un pastāvīgs savienojums nodrošina ievērojami zemāku latentumu salīdzinājumā ar tradicionālajām HTTP bāzes pieejām.
• Standardizēts protokols: Definēts ar RFC 6455, nodrošinot savietojamību starp dažādām platformām un implementācijām.

Kā darbojas WebSocket

WebSocket komunikācijas process sākas ar HTTP rokasspiedienu. Klients nosūta serverim HTTP pieprasījumu, uzlabojot savienojumu uz WebSocket savienojumu. Šis jaunināšanas pieprasījums ietver specifiskas galvenes, piemēram, Upgrade: websocket un Connection: Upgrade, signalizējot par nodomu izveidot WebSocket savienojumu.

Ja serveris atbalsta WebSocket un pieņem jaunināšanas pieprasījumu, tas atbild ar HTTP 101 Switching Protocols atbildi, apstiprinot veiksmīgu WebSocket savienojuma izveidi. Kad savienojums ir izveidots, datus var pārraidīt abos virzienos, izmantojot WebSocket kadrus, kas ir daudz mazāki un efektīvāki nekā HTTP galvenes.

Rokasspiediena process:

1. Klienta pieprasījums: Klients nosūta serverim HTTP jaunināšanas pieprasījumu.
2. Servera atbilde: Ja serveris pieņem pieprasījumu, tas nosūta HTTP 101 Switching Protocols atbildi.
3. Pastāvīgs savienojums: TCP savienojums tiek jaunināts uz WebSocket savienojumu, ļaujot veikt divvirzienu komunikāciju.

WebSocket priekšrocības

WebSocket piedāvā vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām HTTP bāzes pieejām reāllaika komunikācijai:

• Samazināts latentums: Pastāvīgs savienojums novērš papildu slodzi, kas saistīta ar atkārtotu jaunu savienojumu izveidi, rezultējoties ar ievērojami zemāku latentumu. Tas ir kritiski svarīgi lietojumprogrammām, kur nepieciešami gandrīz tūlītēji atjauninājumi, piemēram, finanšu tirdzniecības platformās, kas nodrošina tiešraides tirgus datus, vai daudzspēlētāju tiešsaistes spēlēs, kur nepieciešama ātra mijiedarbība.
• Zemāka papildu slodze: WebSocket kadri ir mazāki par HTTP galvenēm, samazinot tīklā pārraidāmo datu apjomu. Tas samazina joslas platuma patēriņu, kas ir īpaši noderīgi mobilajām lietojumprogrammām vai lietojumprogrammām, kas darbojas apgabalos ar ierobežotu tīkla joslas platumu.
• Divvirzienu komunikācija: Gan klients, gan serveris var vienlaicīgi sūtīt datus viens otram, nodrošinot reāllaika mijiedarbību un sadarbības lietojumprogrammas. Padomājiet par sadarbības dokumentu rediģēšanas rīkiem, piemēram, Google Docs, kur vairāki lietotāji var vienlaikus modificēt vienu un to pašu dokumentu un redzēt viens otra izmaiņas reāllaikā.
• Mērogojamība: WebSocket serveri var apstrādāt lielu skaitu vienlaicīgu savienojumu, padarot tos piemērotus augstas noslodzes lietojumprogrammām. Pareizi izstrādātas WebSocket implementācijas var mērogot horizontāli pa vairākiem serveriem, lai pielāgotos pieaugošajam lietotāju pieprasījumam.
• Standardizācija: WebSocket ir standartizēts protokols, kas nodrošina savietojamību starp dažādām platformām un implementācijām. Tas atvieglo WebSocket integrēšanu esošajās sistēmās un tādu lietojumprogrammu izstrādi, kas var darboties dažādās ierīcēs.

WebSocket lietošanas gadījumi

WebSocket ir labi piemērots plašam reāllaika lietojumprogrammu klāstam:

• Tiešsaistes spēles: Reāllaika daudzspēlētāju spēlēm nepieciešams zems latentums un divvirzienu komunikācija, lai nodrošinātu vienmērīgu un atsaucīgu spēles gaitu. WebSocket ļauj spēļu serveriem efektīvi pārraidīt spēles stāvokļa atjauninājumus visiem pievienotajiem spēlētājiem un saņemt spēlētāju darbības reāllaikā. Apsveriet masveida daudzspēlētāju tiešsaistes lomu spēles (MMORPG), kur simtiem vai tūkstošiem spēlētāju vienlaikus mijiedarbojas kopīgā virtuālajā pasaulē.
• Finanšu tirdzniecības platformas: Finanšu lietojumprogrammām nepieciešami reāllaika tirgus datu atjauninājumi un tūlītēja rīkojumu izpilde. WebSocket nodrošina nepieciešamo ātrumu un efektivitāti, lai piegādātu šos datus tirgotājiem un ātri izpildītu viņu rīkojumus. Piemēram, akciju tirdzniecības platformas izmanto WebSocket, lai straumētu tiešraides cenu kotējumus, ziņu brīdinājumus un tirdzniecības signālus saviem lietotājiem.
• Tērzēšanas lietojumprogrammas: Tūlītējās ziņojumapmaiņas lietojumprogrammas paļaujas uz reāllaika komunikāciju, lai ātri un efektīvi piegādātu ziņojumus. WebSocket ļauj tērzēšanas serveriem nosūtīt jaunus ziņojumus lietotājiem reāllaikā, bez nepieciešamības pēc pastāvīgas aptaujas. Lietojumprogrammas, piemēram, WhatsApp, Telegram un Slack, lielā mērā paļaujas uz WebSocket vai līdzīgām tehnoloģijām savām reāllaika ziņojumapmaiņas iespējām.
• Sadarbības lietojumprogrammas: Lietojumprogrammām, piemēram, sadarbības dokumentu rediģēšanai, tiešsaistes baltajām tāfelēm un projektu pārvaldības rīkiem, nepieciešami reāllaika atjauninājumi un sinhronizācija. WebSocket ļauj šīm lietojumprogrammām nodrošināt nevainojamu un sadarbīgu lietotāja pieredzi. Piemēram, tiešsaistes baltās tāfeles ļauj vairākiem lietotājiem zīmēt un anotēt kopā reāllaikā, padarot tās ideāli piemērotas prāta vētru sesijām un attālinātai sadarbībai.
• Reāllaika uzraudzība un analīze: Lietojumprogrammas, kas uzrauga sistēmas veiktspēju, tīkla trafiku vai sensoru datus, var izmantot WebSocket, lai straumētu datus reāllaikā. Tas ļauj lietotājiem vizualizēt un analizēt datus to ģenerēšanas brīdī, ļaujot viņiem ātri identificēt problēmas un reaģēt uz tām. Piemēram, servera uzraudzības panelis var izmantot WebSocket, lai parādītu reāllaika CPU lietojumu, atmiņas patēriņu un tīkla trafika statistiku.
• IoT (Lietu interneta) lietojumprogrammas: IoT ierīcēm bieži nepieciešams sazināties ar centrālajiem serveriem reāllaikā, lai pārraidītu sensoru datus, saņemtu komandas vai atjauninātu programmaparatūru. WebSocket nodrošina efektīvu un uzticamu sakaru kanālu šīm ierīcēm. Piemēram, viedās mājas sistēma var izmantot WebSocket, lai sazinātos starp sensoriem, izpildmehānismiem un centrālo vadības centru.

WebSocket ieviešana

WebSocket ieviešana parasti ietver WebSocket bibliotēkas vai ietvara izmantošanu gan klienta, gan servera pusē.

Klienta puses ieviešana:

Lielākajai daļai moderno tīmekļa pārlūkprogrammu ir iebūvēts atbalsts WebSocket, izmantojot WebSocket API. Varat izmantot JavaScript, lai izveidotu WebSocket savienojumu, sūtītu un saņemtu ziņojumus un apstrādātu savienojuma notikumus.

// Izveidot WebSocket savienojumu
const socket = new WebSocket('ws://example.com/socket');

// Apstrādāt savienojuma atvēršanas notikumu
socket.addEventListener('open', (event) => {
 console.log('Savienojums ar WebSocket serveri izveidots');
 socket.send('Sveiki, serveri!');
});

// Apstrādāt ziņojuma saņemšanas notikumu
socket.addEventListener('message', (event) => {
 console.log('Ziņojums no servera: ', event.data);
});

// Apstrādāt savienojuma aizvēršanas notikumu
socket.addEventListener('close', (event) => {
 console.log('Atvienots no WebSocket servera');
});

// Apstrādāt kļūdas notikumu
socket.addEventListener('error', (event) => {
 console.error('WebSocket kļūda: ', event);
});

Servera puses ieviešana:

Vairākas servera puses bibliotēkas un ietvari atbalsta WebSocket dažādās programmēšanas valodās, tostarp Node.js, Python, Java un Go.

Node.js piemērs (izmantojot ws bibliotēku):

const WebSocket = require('ws');

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

wss.on('connection', ws => {
 console.log('Klients ir pieslēdzies');

 ws.on('message', message => {
 console.log(`Saņemts ziņojums: ${message}`);
 ws.send(`Serveris saņēma: ${message}`);
 });

 ws.on('close', () => {
 console.log('Klients ir atvienojies');
 });

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

console.log('WebSocket serveris ir palaists uz porta 8080');

Python piemērs (izmantojot websockets bibliotēku):

import asyncio
import websockets

async def echo(websocket, path):
 async for message in websocket:
 print(f"Saņemts ziņojums: {message}")
 await websocket.send(f"Serveris saņēma: {message}")

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

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

Šie ir tikai pamata piemēri. Reālās pasaules implementācijas bieži ietver sarežģītāku loģiku autentifikācijas, autorizācijas, ziņojumu maršrutēšanas un kļūdu apstrādes pārvaldībai.

WebSocket salīdzinājumā ar citām reāllaika komunikācijas metodēm

Lai gan WebSocket ir jaudīgs rīks reāllaika komunikācijai, tas ne vienmēr ir labākais risinājums katram scenārijam. Citas reāllaika komunikācijas metodes, piemēram, Server-Sent Events (SSE) un HTTP Polling, var būt piemērotākas atkarībā no lietojumprogrammas specifiskajām prasībām.

Server-Sent Events (SSE)

Server-Sent Events (SSE) ir vienvirziena komunikācijas protokols, kurā serveris nosūta datus klientam. Atšķirībā no WebSocket, SSE ir balstīts uz HTTP un neprasa pastāvīgu savienojumu. Serveris nosūta teksta notikumu straumi klientam, ko klients pēc tam var apstrādāt.

SSE priekšrocības:

• Vienkāršība: SSE ir vienkāršāk ieviest nekā WebSocket, jo tas ir balstīts uz HTTP un neprasa rokasspiediena procesu.
• HTTP saderība: SSE darbojas, izmantojot standarta HTTP, padarot to saderīgu ar esošo infrastruktūru un ugunsmūriem.

SSE trūkumi:

• Vienvirziena: SSE ļauj tikai serverim sūtīt datus klientam. Klients nevar nosūtīt datus atpakaļ serverim, izmantojot SSE.
• Augstāks latentums: Lai gan SSE nodrošina gandrīz reāllaika atjauninājumus, tam var būt nedaudz augstāks latentums nekā WebSocket HTTP papildu slodzes dēļ.

SSE lietošanas gadījumi:

• Reāllaika ziņu plūsmas
• Akciju cenu atjauninājumi
• Servera puses uzraudzība

HTTP Polling (Aptauja)

HTTP Polling ir tehnika, kurā klients atkārtoti nosūta HTTP pieprasījumus serverim, lai pārbaudītu, vai ir atjauninājumi. Ir divi galvenie HTTP aptaujas veidi: īsā aptauja un garā aptauja.

Īsā aptauja: Klients regulāri nosūta pieprasījumu serverim, neatkarīgi no tā, vai ir pieejami atjauninājumi. Ja ir atjauninājumi, serveris tos atgriež atbildē. Ja atjauninājumu nav, serveris atgriež tukšu atbildi.

Garā aptauja: Klients nosūta pieprasījumu serverim un gaida, kamēr serveris atbildēs ar atjauninājumu. Ja atjauninājumu nav, serveris tur savienojumu atvērtu, līdz kļūst pieejams atjauninājums vai iestājas taimauts. Tiklīdz atjauninājums ir pieejams vai iestājas taimauts, serveris nosūta atbildi klientam. Klients nekavējoties nosūta vēl vienu pieprasījumu serverim, lai atkārtotu procesu.

HTTP aptaujas priekšrocības:

• Saderība: HTTP aptauja darbojas ar jebkuru tīmekļa serveri un neprasa īpašus protokolus vai bibliotēkas.
• Vienkāršība: HTTP aptauju ir salīdzinoši viegli ieviest.

HTTP aptaujas trūkumi:

• Augsts latentums: HTTP aptaujai var būt ievērojams latentums, īpaši ar īso aptauju, jo klientam var nākties gaidīt nākamo aptaujas intervālu, pirms saņemt atjauninājumus.
• Augsta papildu slodze: HTTP aptauja var radīt daudz nevajadzīgas trafika, jo klients atkārtoti sūta pieprasījumus serverim pat tad, ja nav pieejami atjauninājumi.

HTTP aptaujas lietošanas gadījumi:

• Lietojumprogrammas, kurās reāllaika atjauninājumi nav kritiski svarīgi
• Situācijas, kurās WebSocket vai SSE netiek atbalstīti

Salīdzinājuma tabula

Funkcija	WebSocket	SSE	HTTP Polling
Komunikācijas virziens	Divvirzienu	Vienvirziena (no servera uz klientu)	Divvirzienu (Pieprasījums/Atbilde)
Savienojuma tips	Pastāvīgs TCP savienojums	HTTP savienojums (straumēts)	HTTP savienojums (atkārtots)
Latentums	Zems	Vidējs	Augsts
Papildu slodze	Zema	Vidēja	Augsta
Sarežģītība	Vidēja	Zema	Zema
Lietošanas gadījumi	Reāllaika spēles, tērzēšanas lietojumprogrammas, finanšu tirdzniecības platformas	Reāllaika ziņu plūsmas, akciju cenu atjauninājumi, servera puses uzraudzība	Lietojumprogrammas, kurās reāllaika atjauninājumi nav kritiski svarīgi

Drošības apsvērumi

Ieviešot WebSocket, ir svarīgi ņemt vērā drošības labāko praksi, lai aizsargātos pret potenciālām ievainojamībām.

• Izmantojiet TLS/SSL: Vienmēr izmantojiet TLS/SSL šifrēšanu (wss://), lai nodrošinātu WebSocket savienojumus un aizsargātu datus pārsūtīšanas laikā. Tas novērš noklausīšanos un "man-in-the-middle" uzbrukumus.
• Validējiet ievadi: Rūpīgi validējiet un sanitizējiet visus no klienta saņemtos datus, lai novērstu injekcijas uzbrukumus. Tas ietver datu tipa, formāta un garuma pārbaudi, kā arī potenciāli ļaunprātīgu rakstzīmju aizstāšanu.
• Ieviesiet autentifikāciju un autorizāciju: Ieviesiet robustus autentifikācijas un autorizācijas mehānismus, lai nodrošinātu, ka tikai autorizēti lietotāji var piekļūt WebSocket resursiem. Tas var ietvert tādu paņēmienu izmantošanu kā JSON Web Tokens (JWT) vai OAuth 2.0.
• Ātruma ierobežošana (Rate Limiting): Ieviesiet ātruma ierobežošanu, lai novērstu pakalpojumatteices (DoS) uzbrukumus. Tas ierobežo pieprasījumu skaitu, ko klients var veikt noteiktā laika periodā.
• Izcelsmes validācija: Validējiet WebSocket savienojumu izcelsmi, lai novērstu starpvietņu WebSocket nolaupīšanas (CSWSH) uzbrukumus. Tas nodrošina, ka tiek pieņemti tikai savienojumi no uzticamiem avotiem.
• Regulāri atjauniniet bibliotēkas: Uzturiet savas WebSocket bibliotēkas un ietvarus atjauninātus, lai labotu visas zināmās drošības ievainojamības.

Noslēgums

WebSocket ir jaudīga tehnoloģija reāllaika divvirzienu komunikācijas nodrošināšanai starp klientiem un serveriem. Tās zemais latentums, samazinātā papildu slodze un pilna dupleksa iespējas padara to ideāli piemērotu plašam lietojumprogrammu klāstam, sākot no tiešsaistes spēlēm un finanšu tirdzniecības platformām līdz tērzēšanas lietojumprogrammām un sadarbības rīkiem. Izprotot WebSocket principus, tā priekšrocības un ierobežojumus, izstrādātāji var izmantot šo tehnoloģiju, lai radītu saistošu un atsaucīgu reāllaika pieredzi lietotājiem visā pasaulē. Izvēloties starp WebSocket, Server-Sent Events (SSE) un HTTP Polling, rūpīgi apsveriet savas lietojumprogrammas specifiskās prasības, tostarp nepieciešamību pēc divvirzienu komunikācijas, jutīgumu pret latentumu un saderību ar esošo infrastruktūru. Un, ieviešot WebSocket, vienmēr piešķiriet prioritāti drošībai, lai aizsargātos pret potenciālām ievainojamībām un nodrošinātu jūsu lietotāju un viņu datu drošību.