Podstawy protokołu WebSocket

Nowoczesne aplikacje internetowe często wymagają natychmiastowych aktualizacji i interakcji w czasie rzeczywistym. Przykładami są czaty na żywo, gry wieloosobowe i narzędzia do wspólnej edycji.

Tradycyjny HTTP nie został zaprojektowany z myślą o takich zastosowaniach. Właśnie tutaj przydają się WebSockets!

W tej lekcji dowiesz się, czym są WebSockets i dlaczego mają kluczowe znaczenie przy tworzeniu dynamicznych funkcji działających w czasie rzeczywistym.

HTTP (Hypertext Transfer Protocol) działa w oparciu o prosty model żądanie–odpowiedź:

• Klient wysyła żądanie.
• Serwer wysyła odpowiedź.

Po wysłaniu odpowiedzi połączenie zostaje zamknięte. Jest to wydajne podczas pobierania treści statycznych, ale nie sprawdza się przy ciągłej, natychmiastowej wymianie danych.

Aby uzyskać aktualizacje „w czasie rzeczywistym” za pomocą HTTP, programiści często korzystali z następujących mechanizmów:

• Odpytywanie (polling): Klient wielokrotnie pyta serwer o nowe dane. Jest to nieefektywne i może powodować duże opóźnienia.
• Długie odpytywanie (long polling): Serwer utrzymuje połączenie otwarte do momentu pojawienia się nowych danych lub upływu limitu czasu, a następnie wysyła odpowiedź. Jest to lepsze rozwiązanie, ale nadal nie zapewnia prawdziwie dwukierunkowej ani natychmiastowej komunikacji.

Obie metody powodują znaczny narzut i opóźnienia w zastosowaniach wymagających działania w czasie rzeczywistym.

Protokół WebSocket (wykorzystujący ws:// lub wss:// w przypadku bezpiecznych połączeń) zapewnia pełnodupleksowy kanał komunikacji w ramach jednego, długotrwałego połączenia TCP.

Można go porównać do stałego, otwartego połączenia telefonicznego między klientem a serwerem, zamiast wysyłania nowego listu przy każdej wiadomości.

Połączenie WebSocket rozpoczyna się od standardowego żądania HTTP, ale zawiera ważny nagłówek:

Informuje on serwer, że klient chce „podnieść” połączenie do innego protokołu. Jeśli serwer wyrazi zgodę, odpowiada statusem 101 Switching Protocols, a połączenie zostaje przekształcone w połączenie WebSocket.

To początkowe żądanie i odpowiedź HTTP nazywa się uzgadnianiem połączenia (handshake). Po pomyślnym zakończeniu leżące u podstaw połączenie TCP pozostaje otwarte, a zarówno klient, jak i serwer mogą przesyłać za jego pośrednictwem ramki danych.

Oznacza to brak nagłówków HTTP przy każdej pojedynczej wiadomości — przesyłane są tylko surowe dane, co sprawia, że komunikacja jest bardzo wydajna.

W przeciwieństwie do przepływu żądanie–odpowiedź między klientem a serwerem w HTTP, WebSockets oferują komunikację dwukierunkową (czyli pełnodupleksową). Oznacza to, że:

• Klient może w dowolnym momencie wysłać dane do serwera.
• Serwer może w dowolnym momencie wysłać dane do klienta.

Taka dwukierunkowa komunikacja jest podstawą prawdziwie interaktywnych aplikacji działających w czasie rzeczywistym.

WebSockets zapewniają kilka kluczowych korzyści w aplikacjach działających w czasie rzeczywistym:

• Mniejsze opóźnienia: Natychmiastowe przesyłanie danych bez opóźnień związanych z odpytywaniem.
• Mniejszy narzut: Minimalna ilość danych nagłówka po początkowym uzgodnieniu połączenia.
• Wydajność: Jedno trwałe połączenie pozwala oszczędzać zasoby.
• Prawdziwy czas rzeczywisty: Natychmiastowe aktualizacje i interakcje.

WebSockets napędzają wiele nowoczesnych aplikacji:

• Aplikacje czatowe: Natychmiastowe dostarczanie wiadomości.
• Transmisje na żywo: Wyniki sportowe, notowania giełdowe i aktualizacje wiadomości.
• Gry wieloosobowe: Interakcje między graczami w czasie rzeczywistym.
• Narzędzia do współpracy: Współdzielone tablice i edycja dokumentów.
• Urządzenia IoT: Strumieniowe przesyłanie danych z czujników w czasie rzeczywistym.

Świetna praca! Znasz już podstawy protokołu WebSocket.

• Zobaczyłeś, dlaczego tradycyjny HTTP nie sprawdza się przy wymaganiach dotyczących działania w czasie rzeczywistym.
• Dowiedziałeś się, że WebSockets zapewniają trwały, pełnodupleksowy kanał komunikacji.
• Zrozumiałeś znaczenie uzgadniania połączenia HTTP służącego do „podniesienia” połączenia do innego protokołu.
• Poznałeś zalety tego rozwiązania w aplikacjach o małych opóźnieniach, wysokiej wydajności i prawdziwym działaniu w czasie rzeczywistym.

Następnie zajmiemy się implementacją WebSockets za pomocą FastAPI!