Spring Boot系列十六 WebSocket简介和spring boot集成简单消息代理

￡神魔★判官ぃ 2022-05-28 12:45 393阅读 0赞

## 1. 概述 ##

本文介绍webSocket相关的内容，主要有如下内容：

*  WebSocket的诞生的背景、运行机制和抓包分析
 *  WebSocket 的应用场景、服务端和浏览器的版本要求
 *  Spring 内嵌的简单消息代理 和 消息流程图
 *  在Spring boot中集成websocket，并介绍stomp、sockjs的用法
 *  介绍拦截器HandshakeInterceptor和ChannelInterceptor，并演示拦截器的用法
 *  @SendTo和@SendToUser用法和区别

## 2. WebSocket的诞生的背景、运行机制和抓包分析 ##

### 2.1. Websocket诞生的背景 ###

对于需要实时响应、高并发的应用，传统的请求-响应模式的 Web的效率不是很好。在处理此类业务场景时，通常采用的方案有:

*  轮询,此方法容易浪费带宽，效率低下
 *  基于 Flash，AdobeFlash 通过自己的 Socket 实现完成数据交换，再利用 Flash 暴露出相应的接口为 JavaScript 调用，从而达到实时传输目的。但是现在flash没落了，此方法不好用
 *  MQTT，Comet 开源框架，这些技术在大流量的情况，效果不是很好

在此背景下， HTML5规范中的(有 Web TCP 之称的) WebSocket ，就是一种高效节能的双向通信机制来保证数据的实时传输。

### 2.2. WebSocket 运行机制 ###

WebSocket 是 HTML5 一种新的协议。它建立在 TCP 之上，实现了客户端和服务端全双工异步通信.

它和 HTTP 最大不同是：  
\- WebSocket 是一种双向通信协议，WebSocket 服务器和 Browser/Client Agent 都能主动的向对方发送或接收数据；  
\- WebSocket 需要类似 TCP 的客户端和服务器端通过握手连接，连接成功后才能相互通信。

传统 HTTP 请求响应客户端服务器交互图  
![这里写图片描述][SouthEast]  
WebSocket 请求响应客户端服务器交互图  
![这里写图片描述][SouthEast 1]

对比上面两图，相对于传统 HTTP 每次请求-应答都需要客户端与服务端建立连接的模式，WebSocket 一旦 WebSocket 连接建立后，后续数据都以帧序列的形式传输。在客户端断开 WebSocket 连接或 Server 端断掉连接前，不需要客户端和服务端重新发起连接请求，这样保证websocket的性能优势，实时性优势明显

### 2.3. WebSocket抓包分析 ###

我们再通过客户端和服务端交互的报文看一下 WebSocket 通讯与传统 HTTP 的不同：

WebSocket 客户连接服务端端口，执行双方握手过程，客户端发送数据格式类似：  
请求 ：

*  “Upgrade：websocket”参数值表明这是 WebSocket 类型请求
 *  “Sec-WebSocket-Key”是 WebSocket 客户端发送的一个 base64  
    编码的密文，要求服务端必须返回一个对应加密的“Sec-WebSocket-Accept”应答，否则客户端会抛出“Error during WebSocket handshake”错误，并关闭连接。

![这里写图片描述][SouthEast 2]

服务端收到报文后返回的数据格式类似：

*  “Sec-WebSocket-Accept”的值是服务端采用与客户端一致的密钥计算出来后返回客户端的
 *  “HTTP/1.1 101” : Switching Protocols”表示服务端接受 WebSocket 协议的客户端连接，经过这样的请求-响应处理后，客户端服务端的 WebSocket 连接握手成功, 后续就可以进行 TCP 通讯了  
    ![这里写图片描述][SouthEast 3]

## 3. WebSocket 的应用场景、服务端和浏览器的版本要求 ##

### 3.1. 使用websocket的场景 ###

客户端和服务器需要以高频率和低延迟交换事件。 对时间延迟都非常敏感，并且还需要以高频率交换各种各样的消息

### 3.2. 服务端和浏览器的版本要求 ###

WebSocket 服务端在各个主流应用服务器厂商中已基本获得符合 JEE JSR356 标准规范 API 的支持。当前支持websocket的版本:Tomcat 7.0.47+, Jetty 9.1+, GlassFish 4.1+, WebLogic 12.1.3+, and Undertow 1.0+ (and WildFly 8.0+).

浏览器的支持版本：  
查看所有支持websocket[浏览器的连接][Link 1]：

![这里写图片描述][SouthEast 4]

## 4. Spring 内嵌的简单消息代理 和 消息流程图 ##

### 4.1. Simple Broker ###

Spring 内置简单消息代理。这个代理处理来自客户端的订阅请求，将它们存储在内存中，并将消息广播到具有匹配目标的连接客户端

### 4.2. 消息流程图 ###

下图是使用简单消息代理的流程图  
![这里写图片描述][SouthEast 5]

上图3个消息通道说明如下：

*  “clientInboundChannel” — 用于传输从webSocket客户端接收的消息 
 *  “clientOutboundChannel” — 用于传输向webSocket客户端发送的消息
 *  “brokerChannel” — 用于传输从服务器端应用程序代码向消息代理发送消息

## 5. 在Spring boot中集成websocket，并介绍stomp、sockjs的用法 ##

### 5.1. pom.xml ###

<dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-websocket</artifactId>
    </dependency>

### 5.2. POJO类 ###

RequestMessage： 浏览器向服务端请求的消息

public class RequestMessage {
        private String name;
    
    // set/get略
    }

ResponseMessage: 服务端返回给浏览器的消息

public class ResponseMessage {
        private String responseMessage;
    
    // set/get略
    }

### 5.3. BroadcastCtl ###

此类是@Controller类

*  broadcastIndex()方法：使用 @RequestMapping转到的页面
 *  broadcast()方法上的注解说明  
    
    
     *  @MessageMapping：指定要接收消息的地址，类似@RequestMapping
     *  @SendTo默认消息将被发送到与传入消息相同的目的地，但是目的地前面附加前缀（默认情况下为“/topic”\}

@Controller
    public class BroadcastCtl { 
        private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(BroadcastCtl.class);
    
        // 收到消息记数
        private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    
        /** * @MessageMapping 指定要接收消息的地址，类似@RequestMapping。除了注解到方法上，也可以注解到类上 * @SendTo默认 消息将被发送到与传入消息相同的目的地 * 消息的返回值是通过{@link org.springframework.messaging.converter.MessageConverter}进行转换 * @param requestMessage * @return */
        @MessageMapping("/receive")
        @SendTo("/topic/getResponse")
        public ResponseMessage broadcast(RequestMessage requestMessage){
            logger.info("receive message = {}" , JSONObject.toJSONString(requestMessage));
            ResponseMessage responseMessage = new ResponseMessage();
            responseMessage.setResponseMessage("BroadcastCtl receive [" + count.incrementAndGet() + "] records");
            return responseMessage;
        }
    
        @RequestMapping(value="/broadcast/index")
        public String broadcastIndex(HttpServletRequest req){
            System.out.println(req.getRemoteHost());
            return "websocket/simple/ws-broadcast";
        }
    
    }

### 5.4. WebSocketMessageBrokerConfigurer ###

配置消息代理，默认情况下使用内置的消息代理。  
类上的注解@EnableWebSocketMessageBroker：此注解表示使用STOMP协议来传输基于消息代理的消息，此时可以在@Controller类中使用@MessageMapping

*  在方法registerStompEndpoints()里addEndpoint方法：添加STOMP协议的端点。这个HTTP URL是供WebSocket或SockJS客户端访问的地址;withSockJS：指定端点使用SockJS协议
 *  在方法configureMessageBroker()里设置简单消息代理，并配置消息的发送的地址符合配置的前缀的消息才发送到这个broker

@Configuration
    // 此注解表示使用STOMP协议来传输基于消息代理的消息，此时可以在@Controller类中使用@MessageMapping
    @EnableWebSocketMessageBroker
    public class WebSocketMessageBrokerConfigurer extends AbstractWebSocketMessageBrokerConfigurer { 
    
        @Override
        public void registerStompEndpoints(StompEndpointRegistry registry) {
            /** * 注册 Stomp的端点 * addEndpoint：添加STOMP协议的端点。这个HTTP URL是供WebSocket或SockJS客户端访问的地址 * withSockJS：指定端点使用SockJS协议 */
            registry.addEndpoint("/websocket-simple")
                    .setAllowedOrigins("*") // 添加允许跨域访问
                    .withSockJS();
        }
    
        @Override
        public void configureMessageBroker(MessageBrokerRegistry registry) {
            /** * 配置消息代理 * 启动简单Broker，消息的发送的地址符合配置的前缀来的消息才发送到这个broker */
            registry.enableSimpleBroker("/topic","/queue");
        }
    
        @Override
        public void configureClientInboundChannel(ChannelRegistration registration) {
            super.configureClientInboundChannel(registration);
        }
    }

### 5.5. 前端stomp、sockjs的配置 ###

**Stomp**  
websocket使用socket实现双工异步通信能力。但是如果直接使用websocket协议开发程序比较繁琐，我们可以使用它的子协议Stomp

**SockJS**  
sockjs是websocket协议的实现，增加了对浏览器不支持websocket的时候的兼容支持  
SockJS的支持的传输的协议有3类: WebSocket, HTTP Streaming, and HTTP Long Polling。默认使用websocket，如果浏览器不支持websocket，则使用后两种的方式。  
SockJS使用”Get /info”从服务端获取基本信息。然后客户端会决定使用哪种传输方式。如果浏览器使用websocket，则使用websocket。如果不能，则使用Http Streaming，如果还不行，则最后使用 HTTP Long Polling

**ws-broadcast.jsp**  
前端页面

引入相关的stomp.js、sockjs.js、jquery.js

<script src="/websocket/jquery.js"></script>
    
    <script src="/websocket/stomp.js"></script>
    
    <script src="/websocket/sockjs.js"></script>

前端访问websocket，重要代码说明如下：

*  var socket = new SockJS(‘/websocket-simple’)：websocket的连接地址，此值等于WebSocketMessageBrokerConfigurer中registry.addEndpoint(“/websocket-simple”).withSockJS()配置的地址
 *  stompClient.subscribe(‘/topic/getResponse’, function(respnose)\{ … \}): 客户端订阅消息的目的地址：此值和BroadcastCtl中的@SendTo(“/topic/getResponse”)注解的配置的值相同
 *  stompClient.send(“/receive”, \{\}, JSON.stringify(\{ ‘name’: name \})): 客户端消息发送的目的地址：服务端使用BroadcastCtl中@MessageMapping(“/receive”)注解的方法来处理发送过来的消息

<body onload="disconnect()">
    <div>
        <div>
            <button id="connect" onclick="connect();">连接</button>
            <button id="disconnect" disabled="disabled" onclick="disconnect();">断开连接</button>
        </div>
        <div id="conversationDiv">
            <label>输入你的名字</label><input type="text" id="name" />
            <button id="sendName" onclick="sendName();">发送</button>
            <p id="response"></p>
        </div>
    </div>
    
    <script type="text/javascript"> var stompClient = null; function setConnected(connected) { document.getElementById('connect').disabled = connected; document.getElementById('disconnect').disabled = !connected; document.getElementById('conversationDiv').style.visibility = connected ? 'visible' : 'hidden'; $('#response').html(); } function connect() { // websocket的连接地址，此值等于WebSocketMessageBrokerConfigurer中registry.addEndpoint("/websocket-simple").withSockJS()配置的地址 var socket = new SockJS('/websocket-simple'); stompClient = Stomp.over(socket); stompClient.connect({}, function(frame) { setConnected(true); console.log('Connected: ' + frame); // 客户端订阅消息的目的地址：此值BroadcastCtl中被@SendTo("/topic/getResponse")注解的里配置的值 stompClient.subscribe('/topic/getResponse', function(respnose){ showResponse(JSON.parse(respnose.body).responseMessage); }); }); } function disconnect() { if (stompClient != null) { stompClient.disconnect(); } setConnected(false); console.log("Disconnected"); } function sendName() { var name = $('#name').val(); // 客户端消息发送的目的：服务端使用BroadcastCtl中@MessageMapping("/receive")注解的方法来处理发送过来的消息 stompClient.send("/receive", {}, JSON.stringify({ 'name': name })); } function showResponse(message) { var response = $("#response"); response.html(message + "\r\n" + response.html()); } </script>
    </body>

### 5.6. 测试 ###

启动服务WebSocketApplication  
在打开多个标签，执行请求： [http://127.0.0.1:8080//broadcast/index][http_127.0.0.1_8080_broadcast_index]  
点击”连接”，然后”发送”多次，结果如下：  
可知websocket执行成功，并且将所有的返回值发送给所有的订阅者  
![这里写图片描述][SouthEast 6]

## 6. 介绍拦截器HandshakeInterceptor和ChannelInterceptor，并演示拦截器的用法 ##

我们可以为websocket配置拦截器，默认有两种：

*  HandshakeInterceptor：拦截websocket的握手请求。在服务端和客户端在进行握手时会被执行
 *  ChannelInterceptor：拦截Message。可以在Message对被在发送到MessageChannel前后查看修改此值，也可以在MessageChannel接收MessageChannel对象前后修改此值

### 6.1. HandShkeInceptor ###

拦截websocket的握手请求。实现 接口 HandshakeInterceptor或继承类DefaultHandshakeHandler  
![这里写图片描述][SouthEast 7]

HttpSessionHandshakeInterceptor：关于httpSession的操作，这个拦截器用来管理握手和握手后的事情，我们可以通过请求信息，比如token、或者session判用户是否可以连接，这样就能够防范非法用户  
OriginHandshakeInterceptor：检查Origin头字段的合法性

**自定义HandshakeInterceptor ：**

@Component
    public class MyHandShakeInterceptor implements HandshakeInterceptor { 
        @Override
        public boolean beforeHandshake(ServerHttpRequest request, ServerHttpResponse response, WebSocketHandler wsHandler, Map<String, Object> attributes) throws Exception {
            System.out.println(this.getClass().getCanonicalName() + "http协议转换websoket协议进行前, 握手前"+request.getURI());
            // http协议转换websoket协议进行前，可以在这里通过session信息判断用户登录是否合法
            return true;
        }
    
        @Override
        public void afterHandshake(ServerHttpRequest request, ServerHttpResponse response, WebSocketHandler wsHandler, Exception ex) {
            //握手成功后,
            System.out.println(this.getClass().getCanonicalName() + "握手成功后...");
        }
    }

### 6.2. ChannelInterceptor ###

ChannelInterceptor：可以在Message对象在发送到MessageChannel前后查看修改此值，也可以在MessageChannel接收MessageChannel对象前后修改此值

在此拦截器中使用StompHeaderAccessor 或 SimpMessageHeaderAccessor访问消息

自定义ChannelInterceptorAdapter

@Component
    public class MyChannelInterceptorAdapter extends ChannelInterceptorAdapter { 
    
        @Autowired
        private SimpMessagingTemplate simpMessagingTemplate;
    
        @Override
        public boolean preReceive(MessageChannel channel) {
            System.out.println(this.getClass().getCanonicalName() + " preReceive");
            return super.preReceive(channel);
        }
    
        @Override
        public Message<?> preSend(Message<?> message, MessageChannel channel) {
            System.out.println(this.getClass().getCanonicalName() + " preSend");
            StompHeaderAccessor accessor = StompHeaderAccessor.wrap(message);
            StompCommand command = accessor.getCommand();
            //检测用户订阅内容（防止用户订阅不合法频道）
            if (StompCommand.SUBSCRIBE.equals(command)) {
                System.out.println(this.getClass().getCanonicalName() + " 用户订阅目的地=" + accessor.getDestination());
                // 如果该用户订阅的频道不合法直接返回null前端用户就接受不到该频道信息
                return super.preSend(message, channel);
            } else {
                return super.preSend(message, channel);
            }
    
        }
        @Override
        public void afterSendCompletion(Message<?> message, MessageChannel channel, boolean sent, Exception ex) {
            System.out.println(this.getClass().getCanonicalName() +" afterSendCompletion");
            StompHeaderAccessor accessor = StompHeaderAccessor.wrap(message);
            StompCommand command = accessor.getCommand();
            if (StompCommand.SUBSCRIBE.equals(command)){
                System.out.println(this.getClass().getCanonicalName() + " 订阅消息发送成功");
                this.simpMessagingTemplate.convertAndSend("/topic/getResponse","消息发送成功");
            }
            //如果用户断开连接
            if (StompCommand.DISCONNECT.equals(command)){
                System.out.println(this.getClass().getCanonicalName() + "用户断开连接成功");
                    simpMessagingTemplate.convertAndSend("/topic/getResponse","{'msg':'用户断开连接成功'}");
            }
    
            super.afterSendCompletion(message, channel, sent, ex);
        }
    }

### 6.3. 在WebSocketMessageBrokerConfigurer中配置拦截器 ###

*  在registerStompEndpoints()方法中通过registry.addInterceptors(myHandShakeInterceptor)添加自定义HandShkeInceptor 拦截
 *  在configureClientInboundChannel()方法中registration.setInterceptors(myChannelInterceptorAdapter)添加ChannelInterceptor拦截器

@Configuration
    // 此注解表示使用STOMP协议来传输基于消息代理的消息，此时可以在@Controller类中使用@MessageMapping
    @EnableWebSocketMessageBroker
    public class WebSocketMessageBrokerConfigurer extends AbstractWebSocketMessageBrokerConfigurer { 
    
        @Autowired
        private MyHandShakeInterceptor myHandShakeInterceptor;
    
        @Autowired
        private MyChannelInterceptorAdapter myChannelInterceptorAdapter;
    
        @Override
        public void registerStompEndpoints(StompEndpointRegistry registry) {
            /** * 注册 Stomp的端点 * * addEndpoint：添加STOMP协议的端点。这个HTTP URL是供WebSocket或SockJS客户端访问的地址 * withSockJS：指定端点使用SockJS协议 */
            registry.addEndpoint("/websocket-simple")
                    .setAllowedOrigins("*") // 添加允许跨域访问
              //. setAllowedOrigins("http://mydomain.com");
                    .addInterceptors(myHandShakeInterceptor) // 添加自定义拦截
                    .withSockJS();
        }
    
        @Override
        public void configureClientInboundChannel(ChannelRegistration registration) {
            ChannelRegistration channelRegistration = registration.setInterceptors(myChannelInterceptorAdapter);
            super.configureClientInboundChannel(registration);
        }
    }

### 6.4. 测试： ###

和上个例子相同的方式进行测试，这里略

## 7. @SendTo和@SendToUser用法和区别 ##

上文@SendTo会将消息推送到所有订阅此消息的连接，即订阅/发布模式。@SendToUser只将消息推送到特定的一个订阅者，即点对点模式

> @SendTo：会将接收到的消息发送到指定的路由目的地，所有订阅该消息的用户都能收到，属于广播。  
> @SendToUser：消息目的地有UserDestinationMessageHandler来处理，会将消息路由到发送者对应的目的地, 此外该注解还有个broadcast属性，表明是否广播。就是当有同一个用户登录多个session时，是否都能收到。取值true/false.

### 7.1. BroadcastSingleCtl ###

此类上面的BroadcastCtl 大部分相似，下面只列出不同的地方  
broadcast()方法：这里使用 @SendToUser注解

@Controller
    public class BroadcastSingleCtl { 
        private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(BroadcastSingleCtl.class);
    
        // 收到消息记数
        private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    
        // @MessageMapping 指定要接收消息的地址，类似@RequestMapping。除了注解到方法上，也可以注解到类上
        @MessageMapping("/receive-single")
        /** * 也可以使用SendToUser，可以将将消息定向到特定用户 * 这里使用 @SendToUser，而不是使用 @SendTo */
        @SendToUser("/topic/getResponse")
        public ResponseMessage broadcast(RequestMessage requestMessage){
            ….
        }
    
    
        @RequestMapping(value="/broadcast-single/index")
        public String broadcastIndex(){
            return "websocket/simple/ws-broadcast-single";
        }

### 7.2. 在WebSocketMessageBrokerConfigurer中配置 ###

@Configuration
    @MessageMapping
    @EnableWebSocketMessageBroker
    public class WebSocketMessageBrokerConfigurer extends AbstractWebSocketMessageBrokerConfigurer { 
    
        @Override
        public void registerStompEndpoints(StompEndpointRegistry registry) {
            ….
            registry.addEndpoint("/websocket-simple-single").withSockJS();
        }
        ….
    }

### 7.3. ws-broadcast-single.jsp页面 ###

ws-broadcast-single.jsp页面：和ws-broadcast.jsp相似，这里只列出不同的地方  
最大的不同是 stompClient.subscribe的订阅的目的地的前缀是/user，后面再上@SendToUser(“/topic/getResponse”)注解的里配置的值

### 7.4. 测试 ###

启动服务WebSocketApplication  
执行请求： [http://127.0.0.1:8080//broadcast-single/index][http_127.0.0.1_8080_broadcast-single_index]  
点击”连接”，在两个页面各发送两次消息，结果如下：  
可知websocket执行成功，并且所有的返回值只返回发送者，而不是所有的订阅者  
![这里写图片描述][SouthEast 8]

## 8. 代码 ##

所有的详细代码见github代码，请尽量使用[tag v0.19，不要使用master，因为master一直在变，不能保证文章中代码和github上的代码一直相同][tag v0.19_master_master_github]

[SouthEast]: /images/20220528/d9224243756c43b9b4282237bd11d1e2.png
[SouthEast 1]: /images/20220528/8d457ce2cc7b459a8b6db23f1765358c.png
[SouthEast 2]: /images/20220528/2012dd445cd042c7a569f71c144af7fb.png
[SouthEast 3]: /images/20220528/09e28dbea6044013b2ba7c6cda31ccc9.png
[Link 1]: http://caniuse.com/websockets
[SouthEast 4]: /images/20220528/e5855491e62f4177b8678ee80b294397.png
[SouthEast 5]: /images/20220528/38989e34496d45b3a7f2ccc468989519.png
[http_127.0.0.1_8080_broadcast_index]: http://127.0.0.1:8080//broadcast/index
[SouthEast 6]: /images/20220528/67b8a2354b3c40e2b4409ba46d95b4ef.png
[SouthEast 7]: /images/20220528/d0950e2519bd49f8883412b50cc38d50.png
[http_127.0.0.1_8080_broadcast-single_index]: http://127.0.0.1:8080//broadcast-single/index
[SouthEast 8]: /images/20220528/cdf4206d10ce4d6588a119adba447495.png
[tag v0.19_master_master_github]: https://github.com/hryou0922/spring_boot/tree/v0.19/mvc/src/main/java/com/hry/spring/mvc/websocket/simple