利用.NET WebSocket提升网站性能和实时体验

一、什么是WebSocket？

WebSocket是HTML5提供的一种在单个TCP连接上进行全双工通讯的协议。传统的HTTP是一种无状态的请求/响应协议，每次请求都需要建立一个全新的TCP连接，导致了较大的网络开销。而WebSocket协议通过HTTP协议发起握手请求后，在服务器和客户端之间建立起一个持久化的连接，实现一次连接，多次通信的目的。

WebSocket协议解决了HTTP协议无法实现实时双向数据传输、低延迟性和高效性的问题。在Web应用中，经常使用轮询（polling）或comet（长轮询）技术实现实时通信，但这些技术都需要频繁发起HTTP请求，造成较大的性能开销，在实时传输中无法满足要求。

WebSocket协议支持实时交互、低延迟、满足大并发应用的需求。

二、使用.NET WebSocket提升网站性能和实时体验

在.NET中，可以通过System.Net.WebSockets命名空间提供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);
    }

以上代码即为.NET下实现WebSocket通信的基本代码，通过该代码可以建立与WebSocket服务器的连接，实现消息的发送和接收。

三、优化WebSocket实现以提升性能和实时体验

1、使用异步编程

.NET框架提供了异步编程的机制，可避免对线程的阻塞，从而提升程序性能。在使用WebSocket时，可以利用异步操作，在接收和发送数据时使用await操作，实现异步处理。

    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、使用消息队列技术

为了提高WebSocket通信的处理能力，可以使用消息队列技术。将消息发送到队列中，通过异步处理队列中的消息来处理WebSocket通信请求，达到异步处理的效果，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、使用缓存技术

在WebSocket通信中，消息的发送和接收都需要在内存中进行，大量的消息存在内存中会使内存溢出，从而对服务器带来严重的性能影响。因此，在WebSocket通信中，可以使用缓存技术来优化内存的使用。

    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、小结

WebSocket协议可以提升网站性能和实时体验，而在.NET中，System.Net.WebSocket提供了WebSocket通信功能。为了提高WebSocket通信性能，可以使用异步编程、消息队列技术和缓存技术等方式优化WebSocket实现，提高网站的性能和实时体验。