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WebSockets

出典: フリー教科書『ウィキブックス(Wikibooks)』

WebSocketsは、クライアントとサーバー間の双方向通信を実現するための技術規格です。

はじめに[編集]

WebSocketsとは[編集]

WebSocketsは、クライアントとサーバー間の双方向通信を実現するためのプロトコル規格です。従来のHTTP/1.1では、クライアントが要求を送信し、サーバーがそれに応答するという単方向の通信モデルでしたが、WebSocketsではクライアントとサーバーが常時接続された状態で、お互いにメッセージを送受信することができます。

WebSocketsプロトコルは、HTTP/1.1を拡張したものです。WebSocketsは、初期接続時にHTTPのハンドシェイクを使ってサーバーと接続を確立し、その後はHTTPとは異なる独自のフレーミング形式でデータの送受信を行います。

WebSocketsの特徴と用途[編集]

WebSocketsの主な特徴は以下の通りです:

  • 双方向通信: クライアントとサーバーが常時接続された状態で、お互いにデータを送受信できます。
  • 低レイテンシ: HTTPに比べてデータ転送の遅延が小さいため、リアルタイム性の高いアプリケーションに適しています。
  • 軽量: HTTPのオーバーヘッドが小さいため、バッテリー駆動の端末などでも効率的に使えます。

主なWebSocketsの用途には以下のようなものがあります:

  • リアルタイムチャット
  • オンラインゲームのサーバー
  • 株価情報の配信
  • IoTデバイスとの双方向通信
  • サーバープッシュ型の通知システム

ハンドブックの目的と対象読者[編集]

このハンドブックの目的は、WebSocketsの基本的な仕組みから、ASP.NET Coreを使った実装方法、高度な機能、セキュリティ、パフォーマンス、そして実践的なユースケースまで、開発者が必要とする包括的な情報を提供することです。

主な対象読者は以下の通りです:

  • ASP.NET Coreアプリケーションの開発者
  • リアルタイム通信機能を実装するエンジニア
  • WebSocketsの活用を検討しているアーキテクト
  • WebSocket技術に興味のある開発者

WebSocketsの基本[編集]

WebSocketsプロトコルの概要[編集]

WebSocketsプロトコルは、クライアントとサーバー間の双方向通信を実現するための標準仕様です。HTTP/1.1をベースに拡張されたプロトコルで、TCP/IPを利用しています。

WebSocketsは、クライアントがサーバーに対して接続要求を送信し、ハンドシェイクが成功すると、通常のHTTPとは異なる独自のフレーミング形式で双方向のデータ送受信が可能になります。HTTP/1.1のリクエスト/レスポンスモデルとは異なり、WebSocketsはピアツーピアのメッセージングモデルを提供します。

HTTP/1.1との比較[編集]

従来のHTTP/1.1は、クライアントが要求を送信し、サーバーが応答を返す単方向の通信モデルでした。これに対し、WebSocketsは以下のような特徴があります:

  • 双方向通信: クライアントとサーバーが常時接続され、お互いにデータを送受信できます。
  • 低レイテンシ: HTTPのオーバーヘッドが少ないため、リアルタイム性の高いアプリケーションに適しています。
  • 軽量: HTTPのリクエスト/レスポンスヘッダーが不要なため、バッテリー駆動の端末でも効率的に使えます。
  • 持続的な接続: クライアントとサーバーの接続が維持されるため、頻繁な再接続が不要です。

WebSocketsのハンドシェイクプロセス[編集]

WebSocketsの接続確立は、HTTPのUpgrade機能を利用して行われます。具体的なプロセスは以下の通りです:

  1. クライアントがHTTPリクエストを送信し、Upgrade: websocket ヘッダーを含める
  2. サーバーがリクエストを受け取り、WebSocketsプロトコルへの切り替えを承認する
  3. WebSocketsのハンドシェイクが成功し、クライアントとサーバーが接続状態になる
  4. 以降はWebSocketsフレームを使ってデータの送受信が行われる

このようなハンドシェイクプロセスを経ることで、HTTPとWebSocketsの連携が実現されます。

ASP.NET Core でのWebSocketsの実装[編集]

WebSocketsサポートの有効化[編集]

WebSocketsミドルウェアの設定[編集]

WebSocketsコネクションの管理[編集]

クライアント側の実装[編集]

JavaScript/TypeScriptでのWebSocketsクライアントの作成[編集]

.NET Standard/Core クライアントアプリケーションの実装[編集]

WebSocketsクライアントの接続、送受信、切断[編集]

メッセージングとデータ転送[編集]

テキストメッセージとバイナリメッセージ[編集]

メッセージのシリアル化/デシリアル化[編集]

大容量データ転送[編集]

イベントハンドリングとエラー処理[編集]

接続イベントの監視[編集]

メッセージ受信イベントの処理[編集]

エラー検知とエラーハンドリング[編集]

サーバー側の高度な機能[編集]

接続管理と接続状態の追跡[編集]

グループ/チャンネル機能の実装[編集]

認証と承認の統合[編集]

パフォーマンスと信頼性[編集]

WebSocketsの接続管理[編集]

切断と再接続の処理[編集]

スケーラビリティの確保[編集]

セキュリティ[編集]

WebSocketsセキュリティの脅威[編集]

SSL/TLSの使用[編集]

認証と承認の実現[編集]

実装パターンと応用例[編集]

リアルタイムチャット[編集]

ゲームサーバー[編集]

IoTデバイスとの通信[編集]

トラブルシューティングとベストプラクティス[編集]

一般的な問題と解決策[編集]

WebSocketsの使用に関するアドバイス[編集]

付録[編集]

用語集[編集]

参考資料とリンク[編集]