WebSocket集成方案

作者：陈川阅读数：17889人阅读分类： Node.js

WebSocket集成方案

WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议，它使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单。在Express应用中集成WebSocket可以构建实时性要求高的功能，如聊天应用、实时通知等。

为什么选择WebSocket

传统的HTTP协议是无状态的，每次请求都需要建立新的连接。而WebSocket通过一次握手建立持久连接，减少了不必要的网络开销。对于需要频繁通信的场景，比如在线游戏或股票行情推送，WebSocket是更高效的选择。

Express中集成WebSocket的常见方案

在Express框架中集成WebSocket主要有两种主流方案：一种是直接使用ws库，另一种是通过socket.io库实现。两种方案各有优缺点，适合不同的应用场景。

方案一：使用ws库

ws是一个简单易用的WebSocket库，它提供了纯粹的WebSocket实现，不包含额外的功能层。以下是基本集成示例：

const express = require('express');
const WebSocket = require('ws');

const app = express();
const server = app.listen(3000);

const wss = new WebSocket.Server({ server });

wss.on('connection', (ws) => {
  console.log('新客户端连接');
  
  ws.on('message', (message) => {
    console.log(`收到消息: ${message}`);
    // 广播消息给所有客户端
    wss.clients.forEach((client) => {
      if (client.readyState === WebSocket.OPEN) {
        client.send(message);
      }
    });
  });

  ws.on('close', () => {
    console.log('客户端断开连接');
  });
});

这种方案的优势在于轻量级，适合只需要基本WebSocket功能的场景。但它不提供自动重连、房间等高级功能。

方案二：使用socket.io库

socket.io是一个功能更丰富的实时通信库，它在WebSocket基础上提供了额外的功能：

const express = require('express');
const http = require('http');
const socketIo = require('socket.io');

const app = express();
const server = http.createServer(app);
const io = socketIo(server);

io.on('connection', (socket) => {
  console.log('新用户连接');
  
  socket.on('chat message', (msg) => {
    io.emit('chat message', msg);
  });

  socket.on('disconnect', () => {
    console.log('用户断开连接');
  });
});

server.listen(3000, () => {
  console.log('服务器运行在3000端口');
});

socket.io会自动选择最佳传输方式（优先WebSocket，降级到轮询），并提供房间、命名空间等高级功能。它还内置了心跳检测和自动重连机制。

高级集成技巧

与Express路由共享服务器

为了节省资源，可以让WebSocket和HTTP共享同一个端口：

const express = require('express');
const http = require('http');
const WebSocket = require('ws');

const app = express();
const server = http.createServer(app);
const wss = new WebSocket.Server({ server });

// Express路由
app.get('/', (req, res) => {
  res.send('Hello World!');
});

// WebSocket处理
wss.on('connection', (ws) => {
  // WebSocket逻辑
});

server.listen(3000);

认证与安全

WebSocket连接可以通过以下方式进行认证：

URL参数认证：

const wss = new WebSocket.Server({
  verifyClient: (info, done) => {
    const token = info.req.url.split('token=')[1];
    if (isValidToken(token)) {
      return done(true);
    }
    return done(false, 401, 'Unauthorized');
  }
});

Cookie认证：

const wss = new WebSocket.Server({
  verifyClient: (info, done) => {
    const cookies = parseCookies(info.req.headers.cookie);
    if (cookies.sessionId && validateSession(cookies.sessionId)) {
      return done(true);
    }
    return done(false, 401, 'Unauthorized');
  }
});

广播消息的不同方式

根据需求选择不同的广播策略：

广播给所有客户端：

// ws方式
wss.clients.forEach((client) => {
  if (client.readyState === WebSocket.OPEN) {
    client.send('广播消息');
  }
});

// socket.io方式
io.emit('message', '广播消息');

广播给特定房间：

// socket.io房间功能
io.to('room1').emit('message', '房间消息');

排除发送者：

// socket.io方式
socket.broadcast.emit('message', '给其他人的消息');

性能优化

连接管理

对于大量连接的情况，需要特别注意内存管理：

const clients = new Map();

wss.on('connection', (ws) => {
  const id = uuidv4();
  clients.set(id, ws);
  
  ws.on('close', () => {
    clients.delete(id);
  });
});

消息压缩

对于传输大量数据的场景，可以启用压缩：

const wss = new WebSocket.Server({
  server,
  perMessageDeflate: {
    zlibDeflateOptions: {
      chunkSize: 1024,
      memLevel: 7,
      level: 3
    },
    clientNoContextTakeover: true,
    serverNoContextTakeover: true
  }
});

错误处理与监控

错误捕获

wss.on('connection', (ws) => {
  ws.on('error', (error) => {
    console.error('WebSocket错误:', error);
  });
});

process.on('uncaughtException', (err) => {
  console.error('未捕获异常:', err);
});

连接状态监控

setInterval(() => {
  console.log(`当前连接数: ${wss.clients.size}`);
}, 5000);

实际应用示例：实时聊天室

结合Express和WebSocket实现一个完整的聊天室：

// server.js
const express = require('express');
const http = require('http');
const socketIo = require('socket.io');
const path = require('path');

const app = express();
const server = http.createServer(app);
const io = socketIo(server);

// 静态文件服务
app.use(express.static(path.join(__dirname, 'public')));

// 路由
app.get('/', (req, res) => {
  res.sendFile(path.join(__dirname, 'public', 'index.html'));
});

// Socket.io逻辑
io.on('connection', (socket) => {
  console.log('新用户连接');
  
  socket.on('join', (username) => {
    socket.username = username;
    socket.broadcast.emit('user joined', username);
  });
  
  socket.on('chat message', (msg) => {
    io.emit('chat message', { user: socket.username, text: msg });
  });
  
  socket.on('disconnect', () => {
    if (socket.username) {
      io.emit('user left', socket.username);
    }
  });
});

server.listen(3000, () => {
  console.log('服务器运行在3000端口');
});

<!-- public/index.html -->
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>实时聊天室</title>
  <style>
    /* 样式省略 */
  </style>
</head>
<body>
  <div id="chat-container">
    <ul id="messages"></ul>
    <form id="form" action="">
      <input id="username" autocomplete="off" placeholder="输入用户名"/>
      <input id="input" autocomplete="off" placeholder="输入消息"/>
      <button>发送</button>
    </form>
  </div>
  
  <script src="/socket.io/socket.io.js"></script>
  <script>
    const socket = io();
    const form = document.getElementById('form');
    const input = document.getElementById('input');
    const usernameInput = document.getElementById('username');
    const messages = document.getElementById('messages');
    
    let username = '';
    
    usernameInput.addEventListener('change', (e) => {
      username = e.target.value;
      socket.emit('join', username);
      usernameInput.disabled = true;
    });
    
    form.addEventListener('submit', (e) => {
      e.preventDefault();
      if (input.value && username) {
        socket.emit('chat message', input.value);
        input.value = '';
      }
    });
    
    socket.on('chat message', (data) => {
      const item = document.createElement('li');
      item.textContent = `${data.user}: ${data.text}`;
      messages.appendChild(item);
      window.scrollTo(0, document.body.scrollHeight);
    });
    
    socket.on('user joined', (username) => {
      const item = document.createElement('li');
      item.textContent = `${username} 加入了聊天室`;
      messages.appendChild(item);
    });
    
    socket.on('user left', (username) => {
      const item = document.createElement('li');
      item.textContent = `${username} 离开了聊天室`;
      messages.appendChild(item);
    });
  </script>
</body>
</html>

与Express中间件集成

WebSocket服务器可以与Express中间件共享逻辑：

const express = require('express');
const WebSocket = require('ws');
const jwt = require('jsonwebtoken');

const app = express();
const server = app.listen(3000);
const wss = new WebSocket.Server({ server });

// Express中间件
app.use((req, res, next) => {
  console.log('HTTP请求:', req.method, req.url);
  next();
});

// WebSocket认证中间件
wss.on('connection', (ws, req) => {
  // 复用Express的cookie解析
  const cookies = req.headers.cookie;
  if (!cookies || !cookies.includes('token=')) {
    return ws.close(1008, '需要认证');
  }
  
  try {
    const token = cookies.split('token=')[1].split(';')[0];
    const decoded = jwt.verify(token, 'secret');
    ws.user = decoded;
    console.log('认证用户:', decoded.username);
  } catch (err) {
    return ws.close(1008, '无效令牌');
  }
  
  // 其他WebSocket逻辑
});

负载均衡考虑

当应用需要水平扩展时，WebSocket连接需要特殊处理：

使用Redis适配器：

const redisAdapter = require('socket.io-redis');
io.adapter(redisAdapter({ host: 'redis-host', port: 6379 }));

粘性会话：在负载均衡器(Nginx)上配置：

upstream backend {
  server backend1.example.com;
  server backend2.example.com;
  sticky;
}

测试策略

WebSocket应用需要专门的测试方法：

// 使用Jest测试WebSocket
const WebSocket = require('ws');

describe('WebSocket服务器', () => {
  let ws;
  
  beforeAll((done) => {
    ws = new WebSocket('ws://localhost:3000');
    ws.on('open', done);
  });
  
  afterAll(() => {
    ws.close();
  });
  
  test('应接收回显消息', (done) => {
    ws.on('message', (data) => {
      expect(data).toBe('测试消息');
      done();
    });
    ws.send('测试消息');
  });
});

浏览器兼容性处理

虽然现代浏览器都支持WebSocket，但仍需考虑降级方案：

// socket.io会自动处理降级
const socket = io({
  transports: ['websocket', 'polling'],
  upgrade: false
});

// 纯WebSocket的降级方案
function connectWebSocket() {
  if ('WebSocket' in window) {
    return new WebSocket('ws://localhost:3000');
  } else if ('MozWebSocket' in window) {
    return new MozWebSocket('ws://localhost:3000');
  } else {
    // 降级到长轮询
    setupPolling();
  }
}

移动端优化

移动网络环境下需要特别考虑：

心跳检测：

// 服务器端
setInterval(() => {
  wss.clients.forEach((ws) => {
    if (ws.isAlive === false) return ws.terminate();
    ws.isAlive = false;
    ws.ping(() => {});
  });
}, 30000);

wss.on('connection', (ws) => {
  ws.isAlive = true;
  ws.on('pong', () => { ws.isAlive = true; });
});

消息大小限制：

const wss = new WebSocket.Server({
  maxPayload: 1024 * 1024 // 1MB
});

与GraphQL订阅集成

结合WebSocket实现GraphQL订阅：

const { createServer } = require('http');
const express = require('express');
const { execute, subscribe } = require('graphql');
const { SubscriptionServer } = require('subscriptions-transport-ws');
const { schema } = require('./schema');

const app = express();
const server = createServer(app);

server.listen(4000, () => {
  new SubscriptionServer({
    execute,
    subscribe,
    schema
  }, {
    server,
    path: '/subscriptions',
  });
});

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