基于WebSocket的实时消息传递设计

时间：2023-01-19 17:08:15

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web管理系统中可以对业务数据执行新增和删除，现在需要当业务数据发生新增或删除操作后，尽可能实时的反应到WPF客户端上面。

web管理系统用VUE编写，后端服务为SpringBoot，WPF客户端基于.Netframework4.8编写。

整体架构

sequenceDiagram title: 交互时序图 web前台->>+web后端服务:新增数据 Note over web前台,web后端服务:caremaId,labelInfo,...... web后端服务->>+WebSocketServer:创建websocker消息 Note over web后端服务,WebSocketServer:Must:cameraId=clientId WPF客户端1-->>+WebSocketServer:创建监听 Note over WPF客户端1,WebSocketServer:clientId WPF客户端2-->>+WebSocketServer:创建监听 Note over WPF客户端2,WebSocketServer:clientId WebSocketServer->>WPF客户端1:分发websocker消息 Note over WebSocketServer,WPF客户端1:依据：cameraId=clientId WebSocketServer->>WPF客户端2:分发websocker消息 Note over WebSocketServer,WPF客户端2:依据：cameraId=clientId

设计

流程设计

  • 用户在浏览器界面执行新增业务数据操作，调用后端新增接口
  • WPF客户端在启动的时候初始化websocket客户端，并创建对server的监听
  • 后端新增接口先将数据落库，而后调用websocket服务端产生消息，消息在产生后立马被发送到了正在监听中的websocket-client
  • websocket-server和websocket-client是一对多的关系，如何保证业务数据被正确的分发？监听的时候给server端传递一个全局唯一的clientId，业务数据在产生的时候关联到一个BizId上面，只要保证clientId=BizId就可以了。
  • 删除流程和新增类似

程序设计

WebSocketServer

概述

WebSocketServer端采用SpringBoot框架实现，通过在springboot-web项目中集成 org.springframework.boot:spring-boot-starter-websocket
实现websocket的能力。

新增pom



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

新增配置类



import org.springframework.context.annotation.Bean;

import org.springframework.context.annotation.Configuration;

import org.springframework.web.socket.config.annotation.EnableWebSocket;

import org.springframework.web.socket.server.standard.ServerEndpointExporter;

@Configuration
@EnableWebSocket
public class WebSocketConfig {
    @Bean
    public ServerEndpointExporter serverEndpointExporter() {
        return new ServerEndpointExporter();
    }
}

创建websocket端点



import com.alibaba.fastjson.JSON;
import org.springframework.stereotype.Component;
import javax.websocket.*;
import javax.websocket.server.PathParam;
import javax.websocket.server.ServerEndpoint;
import java.io.IOException;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

@ServerEndpoint("/ws/label/{clientId}")
@Component
public class LabelWebSocket {
    /**
     * session list
     */
    private static ConcurrentHashMap<String, Session> sessionList = new ConcurrentHashMap<>();
    /**
     * 当前 clientId
     */
    private String currentClientId = "";
    @OnOpen
    public void open(Session session, @PathParam("clientId") String clientId) throws IOException {
        if (sessionList.containsKey(clientId)) {
            sessionList.remove(clientId);
        }
        sessionList.put(clientId, session);
        currentClientId = clientId;
        this.sendMsg(session, "connectok");
    }
    @OnClose
    public void close(Session session) throws IOException {
        sessionList.remove(currentClientId);
        System.out.println("连接关闭，session=" + JSON.toJSONString(session.getId()));
    }
    @OnMessage
    public void receiveMsg(Session session, String msg) throws IOException {
        this.sendMsg(session, "接收到的消息为：" + msg);
//        throw new RuntimeException("主动抛异常");
    }
    @OnError
    public void error(Session session, Throwable e) throws IOException {
        System.out.println("连接异常，session=" + JSON.toJSONString(session.getId()) + ";currentClientId=" + currentClientId);
        this.sendMsg(session, "发生异常,e=" + e.getMessage());
        e.printStackTrace();
    }
    /**
     * @param clientId
     * @param msg
     */
    public boolean sendMsg(String clientId, String msg) throws IOException {
        if (sessionList.containsKey(clientId)) {
            Session session = sessionList.get(clientId);
            this.sendMsg(session, msg);
            return true;
        } else {
            return false;
        }
    }
    private void sendMsg(Session session, String msg) throws IOException {
        session.getBasicRemote().sendText(msg);
    }
}

WebSocketClient

概述

WebSocketClient端集成在WPF应用客户端中，通过前期调研，选中 WebSocketSharp 作为websocketclient工具，WebSocketSharp 是托管在Github的开源项目，MITLicense，目前4.9K的star。

安装WebSocketSharp


//nuget

Install-Package WebSocketSharp -Pre

初始化client


WebSocket ws = new WebSocket("ws://127.0.0.1:8083/ws/xx/clientId");

创建连接



private void InitWebSocket()
{
    ws.OnOpen += (sender, e) =>
    {
        Console.WriteLine("onOpen");
    };
    //允许ping
    ws.EmitOnPing = true;
    //接收到xiaoxi
    ws.OnMessage += (sender, e) =>
    {
        ReceiveMessage(sender, e);
    };
    ws.Connect();
    //发送消息
    //ws.Send("BALUS")
    ;
}
private void ReceiveMessage(object sender, MessageEventArgs e)
{
    if (e.IsText)
    {
        // Do something with e.Data.like jsonstring
        Console.WriteLine(e.Data);
        return;
    }
    if (e.IsBinary)
    {
        // Do something with e.RawData. like  byte[]
        return;
    }
    if (e.IsPing)
    {
        // Do something to notify that a ping has been received.
        return;
    }
}

接口设计

新增接口

概述

目前WebSocketServer和web后端服务是在同一个SpringBoot的工程中，所以只要将WebSocketServer托管到SpringContainer中，web后端服务可以通过 DI 的方式直接访问 WebSocketEndPoint。

如果考虑程序的低耦合，可以在WebSocketServer和web后端服务之间架设一个MQ。

核心代码


    @Autowired
    private LabelWebSocket ws;
    @GetMapping("/create")
    public boolean createLabel() throws IOException {
        String cameraId = "cml";
        //todo
        boolean result = ws.sendMsg(cameraId, "新增标签");
        return result;
    }

风险

分布式风险

当前在 WebSocketServer 中，已经连接的client信息是记录在当前进程的cache中，如果服务做横向扩容，cache信息无法在多实例进程中传递，将导致无法正确的处理业务数据，并可能会发生意想不到的异常和bug，此问题在并发越高的情况下造成的影响越大

资源风险

web后端服务为基于java语言的springboot程序，这种类型程序的特点是内存消耗特别严重。WebSocketServer服务在本项目中仅用作消息中间件，连通web后端服务和WPF客户端。

首先WebSocketServer没有太多的计算能力的消耗，内存消耗会随着连接客户端数量的增长而增长，网络将是最大的开销，一方面需要转发来自web后端服务的业务数据，并和WPF客户端保持长连接；另一方面WebSocketServer和WPF客户端的交互可能会走公网，而其和web后端服务必然是在局域网环境。

综上，将web后端服务和WebSocketServer分开部署对于硬件资源成本和利用率来说是最好的选择。

高可用风险

未引入重试机制，当某一个环节失败之后，将导致异常情况发生。

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