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= Python WebSocket =

WebSocket 是一种在单个 TCP 连接上进行全双工通信的协议，允许服务器和客户端之间实时交换数据。Python 提供了多种库（如 `websockets` 和 `socket.io`）来实现 WebSocket 功能，适用于实时聊天、在线游戏、股票行情推送等场景。

== 概述 ==
WebSocket 协议（RFC 6455）在 HTTP 握手后升级为持久连接，克服了传统 HTTP 轮询的低效问题。其核心特点包括：
* '''双向通信'''：客户端和服务器可主动发送消息。
* '''低延迟'''：无需重复建立连接。
* '''轻量级'''：数据帧头部开销小（仅 2-10 字节）。

=== 与 HTTP 对比 ===
{| class="wikitable"
|-
! 特性 !! WebSocket !! HTTP
|-
| 连接类型 || 持久化 || 短连接
|-
| 数据流向 || 双向 || 单向（请求-响应）
|-
| 适用场景 || 实时应用 || 静态资源获取
|}

== Python 实现 ==
Python 主流库包括：
* {{code|websockets}}（异步）
* {{code|Flask-SocketIO}}（基于 Flask）
* {{code|Django Channels}}（集成 Django）

=== 基础示例 ===
使用 {{code|websockets}} 库实现简易服务端和客户端：

==== 服务端 ====
<syntaxhighlight lang="python">
import asyncio
import websockets

async def echo(websocket, path):
    async for message in websocket:
        print(f"Received: {message}")
        await websocket.send(f"Echo: {message}")

start_server = websockets.serve(echo, "localhost", 8765)

asyncio.get_event_loop().run_until_complete(start_server)
asyncio.get_event_loop().run_forever()
</syntaxhighlight>

==== 客户端 ====
<syntaxhighlight lang="python">
import asyncio
import websockets

async def send_message():
    async with websockets.connect("ws://localhost:8765") as ws:
        await ws.send("Hello WebSocket!")
        response = await ws.recv()
        print(f"Server response: {response}")

asyncio.get_event_loop().run_until_complete(send_message())
</syntaxhighlight>

'''输出：'''
<pre>
# 服务端
Received: Hello WebSocket!

# 客户端
Server response: Echo: Hello WebSocket!
</pre>

== 高级特性 ==
=== 消息序列化 ===
常用 JSON 格式传输结构化数据：
<syntaxhighlight lang="python">
import json

# 发送端
await websocket.send(json.dumps({"user": "Alice", "action": "join"}))

# 接收端
data = json.loads(await websocket.recv())
</syntaxhighlight>

=== 错误处理 ===
捕获连接异常：
<syntaxhighlight lang="python">
try:
    async with websockets.connect("ws://invalid.url") as ws:
        await ws.send("test")
except websockets.exceptions.ConnectionClosedError:
    print("Connection closed abnormally!")
</syntaxhighlight>

== 实际案例 ==
=== 实时聊天室 ===
<mermaid>
sequenceDiagram
    participant ClientA
    participant Server
    participant ClientB
    ClientA->>Server: 发送消息 "Hi"
    Server->>ClientB: 广播消息 "UserA: Hi"
    ClientB->>Server: 发送消息 "Hello back"
    Server->>ClientA: 广播消息 "UserB: Hello back"
</mermaid>

实现代码片段：
<syntaxhighlight lang="python">
connected_clients = set()

async def chat_handler(websocket, path):
    connected_clients.add(websocket)
    try:
        async for message in websocket:
            for client in connected_clients:
                if client != websocket:
                    await client.send(f"User: {message}")
    finally:
        connected_clients.remove(websocket)
</syntaxhighlight>

== 性能优化 ==
* '''心跳机制'''：定期发送 ping/pong 帧检测连接存活。
* '''压缩扩展'''：启用 {{code|permessage-deflate}} 减少带宽占用。
* '''负载均衡'''：横向扩展多节点时使用 Redis 广播消息。

=== 数学建模 ===
假设每秒消息数 {{math|N}}，平均延迟 {{math|L}}，则系统吞吐量 {{math|T}} 为：
<math>T = \frac{N}{L} \text{ (messages/second)}</math>

== 安全考虑 ==
* '''加密'''：始终使用 {{code|wss://}}（WebSocket Secure）。
* '''输入验证'''：防止注入攻击。
* '''速率限制'''：避免 DDoS 攻击。

== 参见 ==
* RFC 6455（WebSocket 协议标准）
* ASGI（异步服务器网关接口）

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