Was ist ein WebSocket?

einführung

WebSockets sind eine moderne Webtechnologie, die Vollduplex-Kommunikationskanäle über eine einzige TCP-Verbindung bereitstellt. Diese Technologie kommt Echtzeit-Datenaustauschanwendungen wie Chat-Anwendungen, Live-Updates und interaktiven Spielen zugute.
In diesem Artikel erfahren Sie, was WebSockets sind, wie sie funktionieren, welche Vorteile sie bieten, welche alltäglichen Anwendungsfälle es gibt und was die besten Praktiken für die Implementierung sind.

Was sind WebSockets?

WebSockets ist ein Kommunikationsprotokoll, das die Zwei-Wege-Kommunikation zwischen einem Client, z.B. einem Webbrowser, und einem Backend-Server ermöglicht.
Im Gegensatz zu HTTP, das auf Anfrage und Antwort basiert, ermöglichen WebSockets dauerhafte Verbindungen, bei denen der Client und der Server jederzeit Nachrichten senden und empfangen können.
Das macht WebSockets ideal für Echtzeitanwendungen.
Das WebSocket-Protokoll ist unter RFC 6455 standardisiert.

Wie WebSockets funktionieren

Herstellen einer Verbindung

Die WebSocket-Verbindung beginnt mit einem Handshake, bei dem ein Client eine HTTP-Anfrage an einen Server mit einem Upgrade-Header mit der Angabe “Websocket” initiiert.
Diese Anfrage enthält auch einen auf “Upgrade” gesetzten Verbindungs-Header, der die Absicht des Clients anzeigt, das Protokoll zu wechseln.
Wenn der Server WebSockets unterstützt, antwortet er mit einem Upgrade-Header und einem Statuscode 101 Switching Protocols und die Verbindung wird von HTTP auf WebSocket umgestellt.

Voll-Duplex-Kommunikation

Sobald eine WebSocket-Verbindung hergestellt ist, können Clients und Server unabhängig voneinander Nachrichten senden und empfangen.
Diese bidirektionale Kommunikation wird fortgesetzt, bis entweder der Client oder der Server die Verbindung schließt.
Für WebSocket-Verbindungen können auch Unterprotokolle angegeben werden. Dabei handelt es sich um Protokolle auf Anwendungsebene, die für komplexere Kommunikationsanforderungen über das WebSocket-Protokoll gelegt werden.

Nachricht einrahmen

WebSocket-Nachrichten sind gerahmt, um eine effiziente und strukturierte Kommunikation zu gewährleisten.
Jede Nachricht besteht aus einem Frame-Header, gefolgt von den Nutzdaten.
Frames können Textdaten, Binärdaten oder Kontrollframes enthalten, die die Verbindung verwalten.

Vorteile von WebSockets

Kommunikation in Echtzeit

WebSockets ermöglichen die Kommunikation in Echtzeit und damit den sofortigen Datenaustausch zwischen Client und Server.
Dies ist entscheidend für Anwendungen wie Live-Chat, Online-Spiele und Finanzticker.

Reduzierte Latenzzeit

Durch die Aufrechterhaltung einer offenen Verbindung reduzieren WebSockets die mit dem Aufbau neuer HTTP-Verbindungen verbundene Latenzzeit.
Dies führt zu einer schnelleren Zustellung von Nachrichten und einem reaktionsschnelleren Benutzererlebnis.

Geringere Bandbreitennutzung

WebSockets machen HTTP-Anfrage- und Antwort-Header für jede Nachricht überflüssig, was zu einer geringeren Bandbreitennutzung führt.
Diese Effizienz ist sehr vorteilhaft für Anwendungen, die häufige Datenaktualisierungen erfordern.

Skalierbarkeit

WebSockets unterstützen viele gleichzeitige Verbindungen und eignen sich daher für skalierbare Echtzeitanwendungen.
Moderne WebSocket-Server können Tausende von Verbindungen gleichzeitig verarbeiten.

Häufige Anwendungsfälle für WebSockets

Chat-Anwendungen

WebSockets sind ideal für Chat-Anwendungen, bei denen die Übermittlung von Nachrichten in Echtzeit wichtig ist.
Sie können sowohl private als auch Gruppen-Chat-Funktionen effizient implementieren.

Live Updates

Anwendungen, die Live-Updates benötigen, wie z.B. Nachrichten-Feeds, Social Media-Updates und Live-Sport-Ergebnisse, profitieren erheblich von der Fähigkeit von WebSockets, Updates in Echtzeit an Clients zu senden.

Online-Spiele

WebSockets bieten die für Online-Multiplayer-Spiele erforderliche geringe Latenz und Echtzeitkommunikation.
Die Spieler können in Echtzeit interagieren, was das Spielerlebnis verbessert.

Kollaborative Tools

Tools für die Zusammenarbeit wie Online-Dokumenteneditoren, Whiteboards und Projektmanagement-Anwendungen verwenden WebSockets, um Änderungen in Echtzeit zwischen mehreren Benutzern zu synchronisieren.

Finanzielle Anwendungen

WebSockets werden in Finanzanwendungen verwendet, um Marktdaten, Aktienkurse und Handelsinformationen in Echtzeit bereitzustellen.
Die sofortigen Aktualisierungen sind wichtig, um zeitnahe Finanzentscheidungen zu treffen.

WebSockets implementieren

Einrichten eines WebSocket-Servers

Um WebSockets zu implementieren, benötigen Sie einen Server, der das WebSocket-Protokoll unterstützt.
Beliebte Frameworks und Bibliotheken sind:

Node.js mit ws: Eine einfache und effiziente WebSocket-Bibliothek für Node.js.
Socket.IO: Eine beliebte Bibliothek für Echtzeit-Webanwendungen, die WebSockets unterstützt und bei Bedarf auf andere Protokolle zurückgreift.
Spring WebSocket: Ein Modul im Spring Framework, das die WebSocket-Kommunikation in Java-Anwendungen unterstützt.

Erstellen eines WebSocket Clients

Auf der Client-Seite haben moderne Webbrowser über die WebSocket-API integrierte Unterstützung für WebSockets.
Hier sehen Sie ein Beispiel für die Erstellung eines WebSocket-Clients in JavaScript:

				
					// Create a new WebSocket connection 

const socket = new WebSocket('ws://localhost:8080/socket'); 

 

// Connection opened 

socket.addEventListener('open', function (event) { 

    console.log('WebSocket connection opened'); 

    socket.send('Hello Server!'); 

}); 

 

// Listen for messages 

socket.addEventListener('message', function (event) { 

    console.log('Message from server:', event.data); 

}); 

 

// Listen for connection close 

socket.addEventListener('close', function (event) { 

    console.log('WebSocket connection closed'); 

}); 

 

// Handle errors 

socket.addEventListener('error', function (event) { 

    console.error('WebSocket error:', event); 

});

In diesem Beispiel wird das WebSocket-Objekt verwendet, um eine Verbindung mit dem WebSocket-Server herzustellen, der auf localhost an Port 8080 läuft.
Die Ereignis-Listener onopen, onmessage, onclose und onerror verwalten den Lebenszyklus der Verbindung.

Umgang mit Nachrichten

WebSocket-Nachrichten können sowohl auf der Client- als auch auf der Serverseite mit Hilfe von Ereignis-Listenern bearbeitet werden.
Das Nachrichtenereignis wird verwendet, um eingehende Nachrichten zu verarbeiten.
Nachrichten können in Text- oder Binärdatenformaten gesendet werden. Für den strukturierten Datenaustausch wird in der Regel JSON verwendet.

WebSocket API-Funktionen

Unterprotokolle

Unterprotokolle ermöglichen es WebSockets, zusätzlich zur Basis-WebSocket-Verbindung spezifische Protokolle zu verwenden.
Dies ist nützlich für die Definition von benutzerdefinierten Kommunikationsprotokollen für komplexere Interaktionen.

ReadyState

Die Eigenschaft readyState des WebSocket-Objekts liefert den aktuellen Status der WebSocket-Verbindung.
Die möglichen Werte sind:

0 (VERBINDUNG): Die Verbindung ist noch nicht geöffnet.

1 (OFFEN): Die Verbindung ist offen und sofort für die Kommunikation verfügbar.

2 (SCHLIESSEN): Die Verbindung wird gerade geschlossen.

3 (GESCHLOSSEN): Die Verbindung ist geschlossen oder kann nicht geöffnet werden.

Authentifizierung

WebSocket-Verbindungen können eine Authentifizierung erfordern, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Clients eine Verbindung herstellen können.
Um dies zu erreichen, können während der Handshake-Phase Token oder andere Methoden übergeben werden.

Binäre Daten

WebSockets unterstützen das Senden und Empfangen von Binärdaten, was für Anwendungen nützlich ist, die Bilder, Dateien oder andere Binärformate übertragen.

Benachrichtigungen

WebSocket-Verbindungen können verwendet werden, um Benachrichtigungen in Echtzeit an Clients zu senden.
Dies ist besonders nützlich für Anwendungen, die Benutzer über wichtige Ereignisse oder Aktualisierungen informieren.

Bewährte Praktiken für die Verwendung von WebSockets

Verbindungsmanagement

Verwalten Sie WebSocket-Verbindungen ordnungsgemäß, indem Sie Ereignisse zum Öffnen und Schließen von Verbindungen sowie Fehlerereignisse verarbeiten.
Eine Logik zur Wiederherstellung der Verbindung sollte implementiert werden, um Verbindungsabbrüche ordnungsgemäß zu behandeln.

Sicherheit

Verwenden Sie sichere WebSockets (wss://), um Daten zu verschlüsseln und vor Abhör- und Man-in-the-Middle-Angriffen zu schützen.
Validieren und bereinigen Sie eingehende Nachrichten kontinuierlich, um Injektionsangriffe zu verhindern.

Skalierung

Erwägen Sie die Skalierung von WebSocket-Anwendungen mithilfe von Load Balancern und Clustering-Techniken.
Tools wie NGINX und HAProxy können dabei helfen, WebSocket-Verbindungen auf mehrere Server zu verteilen.

Fehlerbehandlung

Implementieren Sie eine robuste Fehlerbehandlung, um unerwartete Bedingungen zu bewältigen und die Stabilität der Verbindung aufrechtzuerhalten.
Protokollieren Sie Fehler für Debugging- und Überwachungszwecke.

Ressourcenmanagement

Überwachen und verwalten Sie die Server-Ressourcen, um eine Erschöpfung durch viele gleichzeitige WebSocket-Verbindungen zu verhindern.
Implementieren Sie bei Bedarf Strategien zur Ratenbegrenzung und Ressourcenzuweisung.

Keep-Alive-Mechanismen

Implementieren Sie Keep-Alive-Mechanismen, um inaktive Clients zu erkennen und Ressourcen freizugeben.
Dies kann durch regelmäßiges Senden von Ping/Pong-Frames erreicht werden.

Integration von WebSockets in bestehende Webtechnologien

HTML und WebSockets

WebSockets können in HTML-Seiten integriert werden, um dynamische und interaktive Webanwendungen in Echtzeit zu erstellen.
HTML-Formulare und -Schnittstellen können mit WebSocket-Endpunkten interagieren, um Live-Feedback und Updates zu liefern.

JSON-Daten

JSON ist ein leichtgewichtiges Datenaustauschformat, das häufig mit WebSockets zum Austausch strukturierter Daten verwendet wird.
Durch das Senden und Empfangen von JSON-Objekten können Sie komplexe Datenstrukturen in Ihrer WebSocket-Kommunikation problemlos verarbeiten.

Endpunkte

WebSocket-Endpunkte werden auf dem Server definiert, um eingehende Verbindungen und Nachrichten zu verarbeiten.
Ein Endpunkt ist eine bestimmte URL oder ein Pfad, an dem der WebSocket-Server auf Verbindungen wartet.

Transportschicht

WebSockets arbeiten über die TCP-Transportschicht und bieten eine zuverlässige und geordnete Zustellung von Nachrichten.
Dadurch wird sichergestellt, dass Nachrichten in der Reihenfolge, in der sie gesendet wurden, und ohne Verluste zugestellt werden.

Web-Server-Integration

WebSockets können in herkömmliche Webserver (HTTP-Server) integriert werden, um Standard-HTTP-Dienste und WebSocket-Kommunikation in Echtzeit bereitzustellen.
Dies ermöglicht eine nahtlose Benutzererfahrung, bei der statische Inhalte und Echtzeit-Updates vom selben Server aus bedient werden.

Schlussfolgerung

WebSockets sind eine leistungsstarke Technologie für die Entwicklung interaktiver Echtzeit-Webanwendungen.
WebSockets ermöglichen einen sofortigen Datenaustausch, geringere Latenzzeiten und eine effiziente Nutzung der Bandbreite, indem sie Vollduplex-Kommunikationskanäle bereitstellen.
Die Implementierung von WebSockets umfasst die Einrichtung eines kompatiblen Servers, die Erstellung eines Clients mit der WebSocket-API und die Einhaltung bewährter Verfahren für die Verbindungsverwaltung, Sicherheit und Skalierbarkeit.

Ganz gleich, ob Sie eine Chat-Anwendung, ein Online-Spiel oder einen Live-Update-Service entwickeln, WebSockets bieten die Leistung und Zuverlässigkeit, die für moderne Webanwendungen erforderlich sind.
Der Einsatz dieser Technologie kann die Benutzerfreundlichkeit und die betriebliche Effizienz Ihrer Webanwendungen erheblich verbessern.

Ausführlichere Informationen und Beispiele finden Sie in der offiziellen WebSocket-API-Dokumentation und anderen auf GitHub verfügbaren Ressourcen.
Die ordnungsgemäße Implementierung und Verwaltung von WebSockets hilft Ihnen, robuste Echtzeitanwendungen zu erstellen, die den Anforderungen der heutigen Webumgebung gerecht werden.

Die Verwendung der Lösung zur Überwachung von Webanwendungen von Dotcom-Monitor, die gründliche, systematische Kontrollen bietet, ist der sicherste Weg, um die optimale Leistung Ihrer Webanwendungen zu gewährleisten.

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