Architektura systemów czasu rzeczywistego: WebSockets i SignalR

Systemy czasu rzeczywistego to systemy obliczeniowe zaprojektowane do reagowania na zdarzenia i przetwarzania danych w czasie rzeczywistym. Zapewniają one terminowe i dokładne reakcje na zdarzenia zewnętrzne, skutecznie obsługując zadania w różnych dziedzinach, w tym w finansach, logistyce, grach, opiece zdrowotnej i nie tylko. Systemy czasu rzeczywistego mają kluczowe znaczenie dla rozwoju nowoczesnego oprogramowania, umożliwiając płynną komunikację aplikacji internetowych i mobilnych między klientami a serwerami.

Różne technologie i protokoły są dostępne dla programistów w celu wdrożenia funkcji aplikacji czasu rzeczywistego. Niektóre z tych protokołów obejmują WebSockets, SignalR, Server-Sent Events (SSE) i Long Polling, które zapewniają różne poziomy wydajności, opóźnienia i łatwość implementacji. Wybór odpowiedniej technologii do komunikacji w czasie rzeczywistym może znacząco wpłynąć na wydajność i szybkość reakcji aplikacji. W tym artykule zbadamy dwa popularne rozwiązania dla architektury systemów czasu rzeczywistego: WebSockets i SignalR. Omówimy sposób ich działania, zalety, przypadki użycia i sposób wyboru odpowiedniego rozwiązania dla danej aplikacji.

Zrozumienie WebSockets

WebSocket to protokół komunikacyjny, który umożliwia prawdziwą dwukierunkową komunikację w czasie rzeczywistym między klientem a serwerem za pośrednictwem pojedynczego, trwałego połączenia. W przeciwieństwie do tradycyjnego modelu żądanie-odpowiedź, WebSocket utrzymuje połączenie o niskim opóźnieniu, w pełnym dupleksie, które umożliwia ciągły transfer danych między klientem a serwerem. Protokół WebSocket został zaprojektowany do pracy na tych samych portach co HTTP i HTTPS (odpowiednio porty 80 i 443), dzięki czemu jest kompatybilny z istniejącą infrastrukturą internetową.

WebSockets używają początkowego uzgadniania HTTP do ustanowienia połączenia, po którym następuje transmisja danych za pomocą ramek WebSocket. Po ustanowieniu połączenia dane mogą przepływać w obie strony jednocześnie, zmniejszając opóźnienia i czyniąc je idealnymi dla aplikacji działających w czasie rzeczywistym, takich jak czat online, powiadomienia i aktualizacje na żywo. Niektóre zalety korzystania z WebSockets obejmują:

• Niskie opóźnienia: WebSockets zapewniają trwałe połączenie, co zmniejsza obciążenie związane z tworzeniem i zamykaniem połączeń, prowadząc do mniejszych opóźnień.
• Komunikacja w pełnym dupleksie: Dwukierunkowy przepływ danych pozwala zarówno serwerowi, jak i klientowi wysyłać i odbierać dane jednocześnie, poprawiając szybkość reakcji aplikacji działających w czasie rzeczywistym.
• Kompatybilność: WebSocket działa na portach HTTP i HTTPS, dzięki czemu jest kompatybilny z istniejącą infrastrukturą internetową.
• Skalowalność: Aplikacje oparte na WebSocket mogą być skalowane przy użyciu różnych technik, takich jak równoważenie obciążenia i skalowanie poziome.

Mimo to, WebSockets mają potencjalne wady i mogą nie być odpowiednie dla wszystkich scenariuszy. Niektóre wady korzystania z WebSockets obejmują:

• Złożoność: Wdrożenie systemów opartych na WebSocket może być trudniejsze niż korzystanie z bibliotek wyższego poziomu, takich jak SignalR, ponieważ wymaga ręcznego zarządzania konfiguracją połączenia, obsługą błędów i ramkowaniem wiadomości.
• Ograniczone wsparcie: Chociaż większość nowoczesnych przeglądarek obsługuje protokół WebSocket, niektóre starsze przeglądarki i platformy mogą go nie obsługiwać, ograniczając jego zasięg.

Pierwsze kroki z SignalR

SignalR to biblioteka Microsoft o otwartym kodzie źródłowym, która upraszcza tworzenie aplikacji internetowych działających w czasie rzeczywistym. Umożliwia programistom dodawanie dwukierunkowej komunikacji między klientem a serwerem, zapewniając abstrakcję nad różnymi protokołami transportowymi, takimi jak WebSockets, Server-Sent Events i Long Polling. SignalR automatycznie wybiera najlepszą metodę komunikacji w oparciu o możliwości klienta i serwera, zapewniając optymalną wydajność i kompatybilność.

Źródło obrazu: Microsoft Learn

SignalR oferuje łatwy w użyciu interfejs API do tworzenia aplikacji czasu rzeczywistego, wykorzystując możliwości programowania asynchronicznego w .NET. Programiści mogą tworzyć koncentratory po stronie serwera, które obsługują połączenia klientów, zarządzają reprezentacjami klientów i rozgłaszają komunikaty do połączonych klientów. Biblioteki po stronie klienta dla SignalR są dostępne dla różnych platform, w tym JavaScript, .NET i Java. Niektóre zalety korzystania z SignalR obejmują

• Prostota: SignalR zapewnia wysokopoziomowe abstrakcje i interfejsy API, ułatwiając tworzenie aplikacji czasu rzeczywistego niż bezpośrednie korzystanie z WebSockets.
• Automatyczny wybór protokołu: SignalR automatycznie wybiera najlepszy protokół komunikacyjny w oparciu o możliwości klienta i serwera, zapewniając płynne wrażenia użytkownika niezależnie od technologii bazowej.
• Szeroka obsługa platform: SignalR zawiera biblioteki po stronie klienta dla różnych platform, w tym JavaScript, .NET i Java, dzięki czemu jest bardzo wszechstronny i nadaje się do różnych zastosowań.
• Skalowalność: SignalR został zaprojektowany do obsługi skalowania na wielu serwerach i zapewnia wbudowane mechanizmy do jego obsługi, takie jak korzystanie z Redis, Azure Service Bus lub niestandardowych backplanów.

Niemniej jednak SignalR ma pewne potencjalne wady, które deweloperzy powinni wziąć pod uwagę:

• Zależność od .NET: SignalR opiera się na technologii .NET, która może nie być idealna dla deweloperów niezaznajomionych z platformą lub preferujących inne języki i frameworki.
• Wydajność: Chociaż SignalR zapewnia intuicyjny interfejs API i bogatą w funkcje bibliotekę, może wprowadzać pewne dodatkowe narzuty w porównaniu do bezpośredniego korzystania z WebSockets, potencjalnie wpływając na wydajność i opóźnienia.

Kiedy wybrać WebSockets zamiast SignalR?

Chociaż zarówno WebSockets, jak i SignalR są potężnymi technologiami umożliwiającymi komunikację w czasie rzeczywistym w aplikacjach internetowych, istnieją pewne scenariusze, w których jedna z nich może być bardziej odpowiednia niż druga. W tej sekcji omówimy, kiedy WebSockets może być lepszą opcją w porównaniu do SignalR.

Niskopoziomowa kontrola nad połączeniem

WebSockets oferują bardziej bezpośrednią kontrolę nad połączeniami w porównaniu do SignalR. Podczas gdy SignalR zapewnia abstrakcje wysokiego poziomu w celu uproszczenia komunikacji w czasie rzeczywistym, może nie oferować wymaganej szczegółowości dla niektórych przypadków użycia. WebSockets może być lepszym rozwiązaniem, jeśli potrzebujesz kontroli niższego poziomu nad połączeniami, w tym zarządzania stanami połączeń, obsługi błędów i dostosowywania ramek danych.

Mniejsze opóźnienia

Połączenia WebSocket oferują mniejsze opóźnienia niż SignalR, ponieważ zapewniają bezpośredni, trwały i dwukierunkowy kanał komunikacji między klientem a serwerem. SignalR, oferując własny zestaw udogodnień, może wprowadzać niewielkie dodatkowe opóźnienia ze względu na podstawowe mechanizmy transportowe, których używa, takie jak długie odpytywanie i zdarzenia wysyłane przez serwer.

Kompatybilność platformy

Podczas gdy SignalR jest doskonałym rozwiązaniem dla aplikacji opartych na .NET, kierowanie na platformy, na których SignalR jest niedostępny lub w pełni obsługiwany, takie jak środowiska inne niż Windows, może nie być odpowiednie. W takich przypadkach WebSockets może zapewnić bardziej uniwersalne rozwiązanie, które działa na różnych platformach i środowiskach.

Unikanie dodatkowych zależności

Wybór WebSockets może być lepszą opcją, jeśli chcesz zminimalizować liczbę zewnętrznych zależności w swoim projekcie. WebSockets są integralną częścią standardu HTML5 i są natywnie obsługiwane przez większość nowoczesnych przeglądarek i technologii po stronie serwera. Natomiast użycie SignalR wymagałoby zintegrowania zewnętrznej biblioteki z projektem.

SignalR vs. WebSockets: Ocena wydajności

Aby lepiej zrozumieć różnice między WebSockets i SignalR pod względem wydajności, musimy wziąć pod uwagę kilka czynników.

Opóźnienie

WebSockets zazwyczaj zapewniają mniejsze opóźnienia w porównaniu do SignalR. Jak wspomniano wcześniej, wynika to z bezpośredniego, dwukierunkowego i trwałego połączenia między klientem a serwerem, które zapewnia WebSocket. SignalR, oferując szereg mechanizmów transportowych, może wprowadzać niewielkie dodatkowe opóźnienia w niektórych scenariuszach.

Przepustowość wiadomości

Połączenia WebSocket mogą generalnie obsługiwać więcej wiadomości na sekundę w porównaniu do SignalR, ponieważ powodują mniejszy narzut na wiadomość. Przewaga ta może jednak nie być znacząca dla większości rzeczywistych scenariuszy, w których niewielka różnica w przepustowości wiadomości nie jest krytyczna.

Zużycie zasobów

Zużycie zasobów jest kolejnym ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy porównywaniu wydajności WebSockets i SignalR. Połączenia WebSocket zwykle zużywają mniej zasobów ze względu na ich lekki protokół, podczas gdy SignalR może zużywać więcej zasobów ze względu na zależność od wielu transportów i funkcji. Rzeczywista różnica w zużyciu zasobów może się jednak różnić w zależności od konkretnej implementacji i przypadku użycia.

Skalowalność

Zarówno WebSockets, jak i SignalR obsługują skalowanie w celu dostosowania do rosnącej liczby klientów, ale radzą sobie z tym w różny sposób. WebSockets wymagają wdrożenia równoważenia obciążenia, skalowania poziomego i innych technik w celu zapewnienia odpowiedniej skalowalności. Z drugiej strony SignalR oferuje wbudowaną obsługę skalowania na wielu serwerach przy użyciu różnych metod, takich jak magistrale komunikatów i backplany.

Integracja WebSocket i SignalR z AppMaster

AppMaster, potężna platforma do tworzenia aplikacji internetowych i mobilnych bez użycia kodu, umożliwia płynną integrację zarówno z technologiami WebSocket, jak i SignalR. Umożliwia to tworzenie funkcji komunikacji w czasie rzeczywistym w aplikacjach bez konieczności posiadania rozległej wiedzy programistycznej. Dzięki wizualnemu interfejsowi " przeciągnij i upuść " AppMaster można tworzyć modele danych, projektować procesy biznesowe i wdrażać interfejsy REST API i WSS endpoints, które mogą być wspierane przez WebSocket lub SignalR, w zależności od wymagań.

Co więcej, platforma AppMaster generuje kod źródłowy dla aplikacji i wdraża je w chmurze, zapewniając skalowalność rozwiązania i optymalizację wydajności. Dzięki integracji WebSocket i SignalR z AppMaster można szybko tworzyć aplikacje internetowe i mobilne działające w czasie rzeczywistym, które są zarówno wydajne, jak i skalowalne. Pozwala to zespołowi skupić się na dostarczaniu wartości użytkownikom, zamiast spędzać czas na niezróżnicowanych zadaniach, takich jak pisanie standardowego kodu i zarządzanie infrastrukturą serwerową.

"W oprogramowaniu nie chodzi o metodologie, języki czy nawet systemy operacyjne. Chodzi o działające aplikacje", jak mądrze stwierdził Christopher Baus, amerykański programista i kierownik inżynierii. Niezależnie od tego, czy zdecydujesz się użyć WebSockets czy SignalR w swoich aplikacjach, AppMaster zapewnia elastyczne rozwiązanie no-code, które umożliwia projektowanie, tworzenie i uruchamianie aplikacji czasu rzeczywistego na dużą skalę. Aby rozpocząć, utwórz bezpłatne konto i zapoznaj się z szeroką gamą funkcji i integracji oferowanych przez AppMaster.