利用.NET WebSocket提升網站性能和實時體驗

一、什麼是WebSocket？

WebSocket是HTML5提供的一種在單個TCP連接上進行全雙工通訊的協議。傳統的HTTP是一種無狀態的請求/響應協議，每次請求都需要建立一個全新的TCP連接，導致了較大的網路開銷。而WebSocket協議通過HTTP協議發起握手請求後，在伺服器和客戶端之間建立起一個持久化的連接，實現一次連接，多次通信的目的。

WebSocket協議解決了HTTP協議無法實現實時雙向數據傳輸、低延遲性和高效性的問題。在Web應用中，經常使用輪詢（polling）或comet（長輪詢）技術實現實時通信，但這些技術都需要頻繁發起HTTP請求，造成較大的性能開銷，在實時傳輸中無法滿足要求。

WebSocket協議支持實時交互、低延遲、滿足大並發應用的需求。

二、使用.NET WebSocket提升網站性能和實時體驗

在.NET中，可以通過System.Net.WebSockets命名空間提供WebSocket通信功能。

    public async Task Connect()
    {
        var client = new ClientWebSocket();
        await client.ConnectAsync(new Uri("ws://localhost:8080"), CancellationToken.None);
        //send
        var sendBuff = Encoding.UTF8.GetBytes("hello server!");
        await client.SendAsync(new ArraySegment<byte>(sendBuff), WebSocketMessageType.Text, true, CancellationToken.None);

        //receive
        var receieveBuff = new byte[1024];
        var response = await client.ReceiveAsync(new ArraySegment<byte>(receieveBuff), CancellationToken.None);
        var message = Encoding.UTF8.GetString(receieveBuff, 0, response.Count);
    }

以上代碼即為.NET下實現WebSocket通信的基本代碼，通過該代碼可以建立與WebSocket伺服器的連接，實現消息的發送和接收。

三、優化WebSocket實現以提升性能和實時體驗

1、使用非同步編程

.NET框架提供了非同步編程的機制，可避免對線程的阻塞，從而提升程序性能。在使用WebSocket時，可以利用非同步操作，在接收和發送數據時使用await操作，實現非同步處理。

    public async Task Receive(WebSocket webSocket, Action<byte[], WebSocketReceiveResult> handleMessage)
    {
        while (webSocket.State == WebSocketState.Open)
        {
            var buffer = new ArraySegment<byte>(new byte[1024]);
            WebSocketReceiveResult result;
            using (var ms = new MemoryStream())
            {
                do
                {
                    result = await webSocket.ReceiveAsync(buffer, CancellationToken.None);
                    ms.Write(buffer.Array, buffer.Offset, result.Count);
                }
                while (!result.EndOfMessage);

                ms.Seek(0, SeekOrigin.Begin);
                if (result.MessageType == WebSocketMessageType.Text)
                {
                    using (var reader = new StreamReader(ms, Encoding.UTF8))
                    {
                        var message = await reader.ReadToEndAsync();
                        Console.WriteLine(message);
                    }
                }
            }
        }
    }

    public async Task Send(WebSocket webSocket, string message)
    {
        var buffer = Encoding.UTF8.GetBytes(message);
        await webSocket.SendAsync(new ArraySegment<byte>(buffer), WebSocketMessageType.Text, true, CancellationToken.None);
    }

2、使用消息隊列技術

為了提高WebSocket通信的處理能力，可以使用消息隊列技術。將消息發送到隊列中，通過非同步處理隊列中的消息來處理WebSocket通信請求，達到非同步處理的效果，提高WebSocket通信的性能。

    public class WebSocketListener
    {
        private static WebSocket socket;

        public async Task WebSocketHandler(HttpContext context, Func<Task> next)
        {
            if (context.WebSockets.IsWebSocketRequest)
            {
                socket = await context.WebSockets.AcceptWebSocketAsync();
            }
            else
            {
                context.Response.StatusCode = 400;
            }

            await Listen();
        }

        private async Task Listen()
        {
            while (socket.State == WebSocketState.Open)
            {
                var queueMessage = await MessageQueue.ReceiveAsync();
                if (queueMessage != null)
                {
                    var message = Encoding.UTF8.GetBytes(queueMessage.MessageBody);
                    var segment = new ArraySegment<byte>(message, 0, message.Length);
                    await socket.SendAsync(segment, WebSocketMessageType.Text, true, CancellationToken.None);
                }
            }
        }

    }

    public static async Task SendMessage(string message)
    {
        await MessageQueue.SendAsync(message);
    }

3、使用緩存技術

在WebSocket通信中，消息的發送和接收都需要在內存中進行，大量的消息存在內存中會使內存溢出，從而對伺服器帶來嚴重的性能影響。因此，在WebSocket通信中，可以使用緩存技術來優化內存的使用。

    public static async Task SendMessage(string message)
    {
        string cacheKey = "WebSocketMessageQueue";
        var cache = MemoryCache.Default;
        var messageQueue = cache.Get(cacheKey) as Queue<string>;

        if (messageQueue == null)
        {
            messageQueue = new Queue<string>();
        }

        messageQueue.Enqueue(message);
        cache.Set(cacheKey, messageQueue, new DateTimeOffset(DateTime.Now.AddMinutes(10)));

        await Task.FromResult(true);
    }

    public async Task Listen(WebSocket websocket)
    {
        Queue<string> messageQueue;
        string cacheKey = "WebSocketMessageQueue";
        var cache = MemoryCache.Default;
        var receiveBuffer = new ArraySegment<byte>(new byte[512]);
        while (websocket.State == WebSocketState.Open)
        {
            if (cache.Contains(cacheKey))
            {
                messageQueue = cache.Get(cacheKey) as Queue<string>;
                if (messageQueue.Count > 0)
                {
                    await websocket.SendAsync(new ArraySegment<byte>(Encoding.UTF8.GetBytes(messageQueue.Dequeue())), WebSocketMessageType.Text, true, CancellationToken.None);
                }
            }

            WebSocketReceiveResult receiveResult = await websocket.ReceiveAsync(receiveBuffer, CancellationToken.None);
        }
    }

四、小結

WebSocket協議可以提升網站性能和實時體驗，而在.NET中，System.Net.WebSocket提供了WebSocket通信功能。為了提高WebSocket通信性能，可以使用非同步編程、消息隊列技術和緩存技術等方式優化WebSocket實現，提高網站的性能和實時體驗。