消息队列篇--通信协议篇--WebSocket（WebSocket特点，HTTP升级到WebSocket，STOMP协议使用，通信类型分类，全双工通信等）

WebSocket通信是使用WebSocket的通信协议，它在2011年被IETF标准化为RFC 6455。WebSocket协议提供了一个在单个TCP连接上进行全双工通信的渠道，允许客户端和服务器之间保持持久连接，支持双向数据传输，使得服务器和客户端之间可以发送实时的消息。

传统的Web应用中，为了实现实时更新，通常使用的技术如轮询（Polling）、长轮询（Long Polling）或Comet技术等，这些方法效率较低且实时性较差。相比之下，WebSocket通过一次握手后建立持久连接，允许服务器主动向客户端推送数据，极大地减少了延迟，并提高了效率。

WebSocket协议的设计初衷是为了替代HTTP在需要低延迟、双向通信的应用场景中的使用，但它并不是直接基于HTTP协议，而是在建立连接时通过HTTP协议进行一次握手请求。一旦握手成功，HTTP协议就会升级为WebSocket协议，之后的通信就不再依赖于HTTP了。

特点：

全双工通信，支持服务器主动向客户端发送消息。
低延迟，适合实时应用。
基于TCP，提供了可靠的传输通道。
支持跨域通信。
支持TLS/SSL加密，确保安全传输。

适用场景：

实时通信应用（如聊天、视频会议）。
在线游戏和多人互动应用。
实时数据分析和监控系统。
如在线文档编辑、项目管理工具等。

1、WebSocket和Spring WebSocket理解

Spring WebSocket模块支持使用WebSocket协议进行通信。通过Spring WebSocket支持，开发者可以轻松地在他们的应用中实现WebSocket功能，包括处理客户端和服务器之间的实时双向通信。
简单理解：
Spring WebSocket是Spring的一个模块，用于实现WebSocket相关功能，同时加扩展了WebSocket相关功能。

Spring框架不仅简化了WebSocket协议的使用，还提供了一种兼容性解决方案——SockJS，用于在不支持WebSocket协议的环境中模拟WebSocket行为。此外，Spring还提供了STOMP协议的支持，使得消息可以在客户端和服务器之间更加结构化地传递。

Spring WebSocket特点：

WebSocket协议：这是基础的全双工通信协议，允许服务器和客户端进行持续的交互，无需发起新的HTTP请求。
SockJS：为了解决浏览器或网络环境不支持WebSocket的情况，Spring提供了SockJS支持，它可以在WebSocket不可用时，自动降级到其他技术如AJAX长轮询等。
STOMP协议：简单文本导向的消息传输协议（Simple Text Oriented Messaging Protocol），用于定义消息如何在客户端和服务器间交换。Spring WebSocket模块可以通过STOMP提供更高级的消息传递模式，比如订阅/发布模式。

综上所述：
WebSocket是一个底层的通信协议，用于实现实时双向通信。Spring WebSocket是一个基于 Spring 框架的模块，主要用于实现WebSocket协议通信，并通过SockJS和STOMP增强了其功能性和灵活性。如果你正在构建一个Spring Boot应用，并需要WebSocket功能，Spring WebSocket是一个很好的选择。

2、WebSocket工作原理

建立WebSocket连接的过程涉及从HTTP请求开始，通过一次握手升级到WebSocket协议，然后在客户端和服务器之间建立一个持久的TCP连接进行双向通信。
示例图：
在这里插入图片描述

从TCP三次握手开始，我们来解释下WebSocket的工作原理。

（1）、TCP的3次握手

在WebSocket连接建立之前，客户端和服务端之间首先需要通过TCP握手来建立一个可靠的连接。
TCP三次握手过程：
1、SYN：客户端发送一个带有SYN（同步序列编号）标志的数据包到服务器，表示请求建立连接。
2、SYN-ACK：服务器接收到SYN包后，发送一个带有SYN和ACK（确认字符）标志的数据包作为回应，表示同意建立连接并确认收到了客户端的请求。
3、ACK：客户端收到SYN-ACK包后，发送一个带有ACK标志的数据包给服务器，确认收到了服务器的响应，并完成连接的建立。

此时，TCP连接已经建立，接下来可以进行更高层次的协议通信。

（2）、发送HTTP请求与WebSocket协议升级

在TCP连接建立之后，客户端会发起一个HTTP请求，请求将连接升级为WebSocket协议。

客户端发起的HTTP请求示例：

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Sec-WebSocket-Version: 13
Origin: http://example.com

解释：

Upgrade: websocket和Connection: Upgrade：表示客户端希望将连接升级到WebSocket协议。
Sec-WebSocket-Key：由客户端生成的一个随机字符串，经过Base64编码，用于验证握手过程的安全性。
Sec-WebSocket-Version：使用的WebSocket协议版本。
Origin：指示请求来源，防止跨域攻击。

服务器返回的HTTP响应示例：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

解释：

101 Switching Protocols：表示服务器同意升级协议。
Upgrade: websocket和Connection: Upgrade：确认升级到WebSocket协议。
Sec-WebSocket-Accept：服务器使用Sec-WebSocket-Key和一个固定的GUID(258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11)计算出的一个SHA-1哈希值，并进行Base64编码。这一步用于确保握手的安全性和完整性。

（3）、WebSocket数据帧交换

一旦升级握手成功，TCP连接就被“升级”为WebSocket连接，客户端和服务器可以通过已建立的TCP连接交换数据帧。

数据帧的基本结构：
每个WebSocket数据帧由以下几个部分组成。

FIN: 1位，是否为最后一帧。
RSV1, RSV2, RSV3: 各1位，保留位，默认为0。
Opcode: 4位，操作码，指示帧的数据类型或目的。
- 0x0: 续帧
- 0x1: 文本帧 (Text)
- 0x2: 二进制帧 (Binary)
- 0x8: 关闭连接
- 0x9: ping
- 0xA: pong
MASK: 1位，掩码标志，客户端发给服务器的消息必须被掩码处理。
Payload length: 7位、7+16位或7+64位，表示有效载荷数据的长度。
Masking-key: 如果MASK标志设置为1，则接下来的4字节是掩码密钥。
Payload data: 实际的有效载荷数据。

数据帧示例：发送文本消息"Hello"
1、FIN设置为1，因为这是一个完整的消息。
2、Opcode设置为0x1，因为这是一个文本帧。
3、MASK设置为1，并生成一个随机的4字节掩码。
4、Payload length设置为5（因为"Hello"包含5个字符）。
5、Masking-key是随机生成的4字节值。
6、Payload data是"Hello"，但在发送前需要根据掩码加密。

完整示例：

FIN: 1
RSV1, RSV2, RSV3: 0
Opcode: 0x1
MASK: 1
Payload length: 5
Masking-key: <random 4-byte key>   // 4个字节数据
Payload data: Hello     // 是经过Masking-key加密处理后的数据，明文是Hello

（4）、关闭连接

当一方决定关闭连接时，它会发送一个关闭帧。

关闭帧示例：

FIN: 1
RSV1, RSV2, RSV3: 0
Opcode: 0x8 (关闭帧)
MASK: 1 (如果是由客户端发送)
Payload length: 2 (关闭原因代码)
Payload data: 1000 (例如，正常关闭)

接收方接收到关闭帧后，也会发送一个关闭帧作为确认，并关闭TCP连接。

（5）、工作原理总结

1、TCP三次握手

客户端发送SYN。
服务器响应SYN-ACK。
客户端发送ACK，建立TCP连接。

2、HTTP请求与WebSocket协议升级

客户端发送带有特定头信息的HTTP请求，请求升级到WebSocket协议。
服务器检查请求，如果支持WebSocket并同意升级，则返回一个确认响应。

3、WebSocket数据帧交换

握手成功后，客户端和服务器通过已建立的TCP连接交换WebSocket数据帧，实现全双工通信。

4、关闭连接

当一方决定关闭连接时，发送关闭帧，另一方确认并关闭TCP连接。

这种机制确保了WebSocket能够在保持低延迟的同时提供高效的双向通信能力，非常适合实时应用如在线聊天、游戏、股票交易等场景。

3、 WebSocket和STOMP

WebSocket是一个低级别的协议，提供了一个双向通信的管道。STOMP是一种高层级的消息传递协议，可以运行在WebSocket或其他传输协议（如TCP）之上。通过WebSocket传输STOMP消息，可以在客户端和服务器之间实现更加结构化的消息传递模式，比如发布/订阅、点对点消息等。

（1）、STOMP消息报文格式

STOMP消息由命令行、头信息和消息体组成。每条消息以换行符\n分隔各个部分，并且整个消息以空行结束（即两个连续的换行符\n\n）。

示例：发送一条STOMP CONNECT命令

CONNECT
accept-version:1.2
host:stomp.example.com

^@

解释：

CONNECT：这是STOMP命令，表示客户端请求与服务器建立连接。
accept-version:1.2：指定支持的STOMP版本。
host:stomp.example.com：指定目标主机。
^@：表示消息体为空，用一个空字节（ASCII码为0）来表示。

示例：发送一条SUBSCRIBE命令

SUBSCRIBE
id:sub-001
destination:/topic/greetings

^@

解释：

SUBSCRIBE：表示客户端订阅某个主题。
id:sub-001：订阅的唯一标识符。
destination:/topic/greetings：要订阅的主题地址。

示例：发送一条SEND命令

SEND
destination:/queue/work

Hello, STOMP!
^@

解释：

SEND：表示发送消息到指定的目的地。
destination:/queue/work：消息的目的地。
Hello, STOMP!：消息的内容。

（2）、在WebSocket上发送STOMP消息

当在一个已经建立的WebSocket连接上发送STOMP消息时，这些STOMP消息会被作为WebSocket数据帧的有效载荷数据发送。

具体来说：
1、WebSocket数据帧

WebSocket数据帧包含头部信息（如FIN、Opcode、MASK等）和有效载荷数据。
对于STOMP消息，WebSocket的有效载荷数据就是完整的STOMP消息内容（包括命令行、头信息和消息体）。

2、混合发送WebSocket和STOMP消息

WebSocket允许在同一连接上交替发送不同类型的WebSocket数据帧。因此，在同一WebSocket连接上，既可以发送普通的WebSocket消息，也可以发送STOMP消息。
通常情况下，一旦建立了WebSocket连接并升级为STOMP协议，后续的大部分通信会使用STOMP消息格式来进行结构化的消息传递。

（3）、网络数据封装说明

使用WebSocket发送STOMP消息，实际是将STOMP消息作为WebSocket数据帧的负载。实际上在往底层深入，也是同样的道理，如WebSocket数据帧实际上也是TCP数据包的负载（可能是多个）。每个TCP数据包又被转换为其他物理信号包进行物理传输。

具体关系如下：
1、应用层（Application Layer）

STOMP消息：这是你要发送的实际消息内容，包含命令、头信息和消息体。
2、传输层（Transport Layer）
WebSocket数据帧：STOMP消息作为WebSocket数据帧的有效载荷部分进行传输。WebSocket提供了一个全双工的双向通信通道。
3、网络层（Network Layer）
TCP数据包：WebSocket数据帧被分割成多个TCP数据包进行网络传输。TCP协议确保这些数据包能够可靠地到达目的地，并按顺序重组。
4、链路层（Link Layer）
以太网帧（或其他链路层协议）：TCP数据包被封装在以太网帧或其他链路层协议的数据包中，通过物理网络进行传输。
以太网帧包括以下部分：
目标MAC地址和源MAC地址：标识通信双方的硬件地址。
类型/长度字段：指示上层协议类型（如IP）。
数据段：实际要传输的数据，即TCP数据包。
示例以太网帧：

<destination MAC> <source MAC> <type/length> <TCP packet>

最终网络传输：
最终在网络上传输的是以太网帧，这些帧包含了封装好的TCP数据包，而TCP数据包又包含了WebSocket数据帧，最后WebSocket数据帧中包含了STOMP消息。

4、客户端代码示例

假设你已经通过WebSocket建立了连接，并希望使用STOMP发送和接收消息：

（1）、建立WebSocket连接

代码示例：（js脚本）

const socket = new WebSocket('ws://example.com/stomp-endpoint');

（2）、发送STOMP CONNECT命令

代码示例：（js脚本）

socket.send(CONNECT\naccept-version:1.2\nhost:example.com\n\n\u0000);

（3）、发送STOMP SUBSCRIBE命令

代码示例：（js脚本）

socket.send(SUBSCRIBE\nid:sub-001\ndestination:/topic/greetings\n\n\u0000);

（4）、发送STOMP SEND命令

代码示例：（js脚本）

socket.send(SEND\ndestination:/queue/work\n\nHello, STOMP!\n\u0000);

（5）、接收STOMP消息

代码示例：（js脚本）

socket.onmessage = function(event) {
  console.log('Received:', event.data);
};

5、服务端代码示例

（1）、依赖项

<dependency>
    <groupId>org.java-websocket</groupId>
    <artifactId>Java-WebSocket</artifactId>
    <version>1.5.2</version>
</dependency>

（2）、发送消息代码示例

import org.java_websocket.client.WebSocketClient;
import org.java_websocket.handshake.ServerHandshake;
import java.net.URI;
import java.net.URISyntaxException;

public class WebSocketExample extends WebSocketClient {

    public WebSocketExample(URI serverUri) {
        super(serverUri);
    }

    @Override
    public void onOpen(ServerHandshake handshakedata) {
        System.out.println("Connected to server");
        // 发送消息到服务器
        send("Hello, Server!");
    }

    @Override
    public void onMessage(String message) {
        System.out.println("Received from server: " + message);
    }

    @Override
    public void onClose(int code, String reason, boolean remote) {
        System.out.println("Connection closed: " + reason);
    }

    @Override
    public void onError(Exception ex) {
        ex.printStackTrace();
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建WebSocket客户端并连接到服务器
            WebSocketExample client = new WebSocketExample(new URI("ws://localhost:8080"));
            client.connect();
        } catch (URISyntaxException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

说明：

onOpen：当连接成功时调用，可以在这里发送消息。
onMessage：当接收到服务器的消息时调用。
onClose：当连接关闭时调用。
onError：当发生错误时调用。

接收消息：

import javax.websocket.OnMessage;
import javax.websocket.server.ServerEndpoint;
import java.io.IOException;

@ServerEndpoint("/websocket")
public class WebSocketConsumer {

    @OnMessage
    public void onMessage(String message) {
        System.out.println("Received message: " + message);
        // 回复消息
        try {
            // 这里可以回复消息给客户端
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

6、总结

WebSocket提供底层的通信管道：WebSocket建立连接后，可以通过它发送任意类型的数据帧。
STOMP 提供高层级的消息协议：在WebSocket之上使用STOMP，可以实现更结构化的消息传递机制。
混合发送WebSocket和STOMP消息：WebSocket支持在同一连接上发送不同类型的消息，但实际应用中，一旦切换到STOMP协议，大多数消息将遵循STOMP格式。

这种方式使得WebSocket成为了一个灵活的基础通信层，而STOMP则提供了方便的消息管理和路由功能。

7、扩展一下：通信类型分类

根据通信过程中数据传输的方向和方式，通信类型可以分为以下几种：

1、单工通信（Simplex Communication）

单工通信是指数据只能在一个方向上传输，即只能由发送方发送数据，接收方只能接收数据，不能反向发送数据。

特点：

数据传输是单向的。
发送方和接收方的角色固定，不能互换。
适用于只需要单向传输的应用场景。

适用场景：

广播电台或电视台：信号从广播站发送到接收设备，接收设备不能发送信号回广播站。
早期的对讲机系统：某些对讲机系统只允许一方发送，另一方接收。

2、半双工通信（Half-Duplex Communication）

半双工通信是指数据可以在两个方向上传输，但不能同时进行。也就是说，发送方和接收方不能在同一时间发送和接收数据，必须轮流进行。

特点：

数据传输是双向的，但不能同时进行。
发送方和接收方需要协调，确保一方发送时另一方处于接收状态。
相比全双工通信，带宽利用率较低，因为每次只能在一个方向上传输数据。

适用场景：

对讲机：双方可以互相通话，但一次只能有一方说话，另一方倾听。
早期的以太网（Ethernet）：某些早期的以太网设备使用半双工模式，一次只能有一个设备发送数据。
Wi-Fi：在某些情况下，Wi-Fi设备可能会使用半双工模式，尤其是在共享同一信道的情况下。

3、全双工通信（Full-Duplex Communication）

全双工通信是指通信双方可以在同一时间进行双向数据传输。发送方和接收方可以同时发送和接收数据，而不会相互干扰。

特点：

数据传输是双向的，并且可以同时进行。
无需等待对方完成发送，双方可以随时发送数据。
带宽利用率高，因为数据可以在两个方向上同时传输。

适用场景：

现代以太网（Ethernet）：大多数现代以太网设备支持全双工通信，允许多个设备同时发送和接收数据。
WebSocket：WebSocket协议允许服务器和客户端之间保持持久连接，并支持双向数据传输。
实时应用：如在线聊天、视频会议、在线游戏等，这些应用要求低延迟和高并发的数据传输。

4、准双工通信（Pseudo-Duplex Communication）

准双工通信是一种介于半双工和全双工之间的通信模式。它允许数据在两个方向上传输，但在某些情况下，数据传输并不是完全同时的。通常，准双工会在短时间内实现双向传输，但并不是严格意义上的全双工。

特点：

数据传输是双向的，但可能不是完全同时进行。
在某些时间段内，数据可以在两个方向上同时传输，但在其他时间段内，可能需要轮流传输。
准双工通信通常用于资源受限的环境，或者在网络带宽有限的情况下。

适用场景：

某些无线通信协议：如蓝牙（Bluetooth），在某些情况下可能会使用准双工模式来节省能源。（省点模式下是半双工模式，电量充足时为全双工模式）
一些低功耗设备：为了节省电力，某些设备可能会采用准双工模式，减少同时传输的需求。

5、通信类型的对比

在这里插入图片描述

6、通信类型总结

单工通信：数据只能在一个方向上传输，适用于只需要单向传输的场景。
半双工通信：数据可以在两个方向上传输，但不能同时进行，适用于需要双向通信但对延迟要求不高的场景。
全双工通信：数据可以在两个方向上同时传输，适用于实时性要求高的应用场景，如在线聊天、视频会议等。
准双工通信：介于半双工和全双工之间，适用于资源受限或带宽有限的环境。

乘风破浪！Dare to Be！！！