【进阶】基于WebSocket的实时通信

# 1. WebSocket简介**

WebSocket是一种全双工通信协议，它允许在客户端和服务器之间建立持久连接，实现实时双向通信。与HTTP协议不同，WebSocket使用单个TCP连接，避免了HTTP请求-响应模式带来的延迟和开销。WebSocket广泛应用于实时聊天、游戏、远程监控等需要实时数据传输的场景。

# 2. WebSocket通信原理

### 2.1 WebSocket协议栈

WebSocket协议栈建立在TCP之上，它通过一个TCP连接实现全双工通信。WebSocket协议栈由以下层组成：

| 层级 | 协议 | 功能 |
|---|---|---|
| 应用层 | WebSocket | 提供消息分帧和处理 |
| 传输层 | TCP | 提供可靠的字节流传输 |
| 网络层 | IP | 提供数据包寻址和路由 |

### 2.2 WebSocket握手过程

WebSocket连接建立需要一个握手过程，该过程由客户端和服务器共同完成。握手过程包括以下步骤：

1. **客户端发送握手请求：**客户端发送一个HTTP请求，其中包含以下信息：
- `Upgrade: websocket` 头部，表示客户端希望升级到WebSocket协议。
- `Sec-WebSocket-Key` 头部，包含一个随机生成的密钥。
- `Sec-WebSocket-Version` 头部，指定WebSocket协议版本。

2. **服务器响应握手请求：**服务器收到握手请求后，会发送一个HTTP响应，其中包含以下信息：
- `Upgrade: websocket` 头部，表示服务器同意升级到WebSocket协议。
- `Sec-WebSocket-Accept` 头部，包含从客户端密钥派生的密钥。
- `Sec-WebSocket-Version` 头部，指定WebSocket协议版本。

3. **握手完成：**客户端和服务器完成握手后，WebSocket连接建立。

### WebSocket消息帧格式

WebSocket消息帧用于在客户端和服务器之间传输数据。消息帧由以下部分组成：

| 字段 | 长度（字节） | 描述 |
|---|---|---|
| FIN | 1 | 表示消息是否为最后一个分片 |
| RSV1、RSV2、RSV3 | 1 | 保留位，目前未使用 |
| OPCODE | 1 | 表示消息类型（文本、二进制、ping、pong等） |
| MASK | 1 | 表示数据是否被掩码 |
| Payload Length | 1-16 | 表示有效载荷的长度 |
| Masking-Key（可选） | 4 | 用于掩码数据的密钥 |
| Payload Data | 可变 | 消息的实际数据 |

### WebSocket消息类型

WebSocket支持以下消息类型：

| OPCODE | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| 0x00 | Text | 文本消息 |
| 0x01 | Binary | 二进制消息 |
| 0x02 | Close | 关闭连接 |
| 0x03 | Ping | ping请求 |
| 0x04 | Pong | pong响应 |

### WebSocket服务器端开发示例

**Node.js构建WebSocket服务器**

const WebSocket = require('ws');

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

wss.on('connection', (ws) => {
  ws.on('message', (message) => {
    console.log(`Received message: ${message}`);
    ws.send(`Echo: ${message}`);
  });

  ws.on('close', () => {
    console.log('Client disconnected');
  });
});

**逻辑分析：**

这段代码使用Node.js的WebSocket模块创建了一个WebSocket服务器。服务器监听8080端口，当客户端连接时，会触发`connection`事件。在`connection`事件中，服务器为客户端创建了一个WebSocket对象（`ws`），并监听客户端发送的消息（`message`事件）。当客户端发送消息时，服务器会打印消息并向客户端发送回显消息。当客户端关闭连接时，会触发`close`事件。

**Python构建WebSocket服务器**

import asyncio
import websockets

async def handler(websocket, path):
    while True:
        message = await websocket.recv()
        print(f"Received message: {message}")
        await websocket.send(f"Echo: {message}")

async