WebSocket是什么？为什么能持久连接？

codeGoogler 终端研发部

一、WebSocket是什么

WebSocket，是一种网络传输协议，位于 OSI 模型的应用层。可在单个 TCP 连接上进行全双工通信，能更好的节省服务器资源和带宽并达到实时通迅客户端和服务器只需要完成一次握手，两者之间就可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输

二、特点

全双工通信允许数据在两个方向上同时传输，它在能力上相当于两个单工通信方式的结合例如指 A→B 的同时 B→A ，是瞬时同步的二进制帧采用了二进制帧结构，语法、语义与 HTTP 完全不兼容，相比 http/2，WebSocket 更侧重于“实时通信”，而 HTTP/2 更侧重于提高传输效率，所以两者的帧结构也有很大的区别不像 HTTP/2 那样定义流，也就不存在多路复用、优先级等特性自身就是全双工，也不需要服务器推送协议名引入 ws 和 wss 分别代表明文和密文的 websocket 协议，且默认端口使用 80 或 443，几乎与 http 一致

ws://www.chrono.com
ws://www.chrono.com:8080/srv
ws://www.chrono.com:445/im？user=user_id=xxxx

握手 WebSocket 也要有一个握手过程，然后才能正式收发数据客户端发送数据格式如下：

GET /chat HTTP/1.1  Host: server.example.com Upgrade: websocket Connection:  Upgrade  Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==  Origin: http://example.com Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat Sec-WebSocket-Version:  13

Connection：必须设置 Upgrade，表示客户端希望连接升级
Upgrade：必须设置 Websocket，表示希望升级到 Websocket 协议
Sec-WebSocket-Key：客户端发送的一个 base64 编码的密文，用于简单的认证秘钥。要求服务端必须返回一个对应加密的“Sec-WebSocket-Accept 应答，否则客户端会抛出错误，并关闭连接
Sec-WebSocket-Version ：表示支持的 Websocket 版本

服务端返回的数据格式：

HTTP/1.1 101 Switching ProtocolsUpgrade: websocketConnection: UpgradeSec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=Sec-WebSocket-Protocol: chat

HTTP/1.1 101 Switching Protocols：表示服务端接受 WebSocket 协议的客户端连接

Sec-WebSocket-Accep：验证客户端请求报文，同样也是为了防止误连接。具体做法是把请求头里“Sec-WebSocket-Key”的值，加上一个专用的 UUID，再计算摘要

优点

较少的控制开销：数据包头部协议较小，不同于 http 每次请求需要携带完整的头部
更强的实时性：相对于 HTTP 请求需要等待客户端发起请求服务端才能响应，延迟明显更少
保持创连接状态：创建通信后，可省略状态信息，不同于 HTTP 每次请求需要携带身份验证
更好的二进制支持：定义了二进制帧，更好处理二进制内容
支持扩展：用户可以扩展 websocket 协议、实现部分自定义的子协议
更好的压缩效果：Websocket 在适当的扩展支持下，可以沿用之前内容的上下文，在传递类似的数据时，可以显著地提高压缩率

HTTP 协议的“缺陷”

了解http的人都知道，HTTP 协议有一个缺陷：通信只能由客户端发起。例如，我们想了解今天的天气，只能是客户端向服务器发出请求，服务器返回查询结果。HTTP 协议做不到服务器主动向客户端推送信息的，这种单向请求的特点，注定了如果服务器有连续的状态变化，客户端要获知就非常麻烦，客户端只能使用”轮询”的方式，即每隔一段时间，就发出一个请求，请求服务器有没有状态变化。可见轮询的效率低，非常浪费资源。

在http1.1中，默认开启了一个叫Keep-alive的参数，官方的说法是可以用这个来作为长连接。你是否以为既然客户端与服务器保持了长连接，服务器就能主动给客户端推送消息呢？

关于Keep-alive的缺点

Keep-alive的确可以实现长连接，但是这个长连接是有问题的，本质上依然是客户端主动发起-服务端应答的模式，是没法做到服务端主动发送通知给客户端的。也就是说，在一个HTTP连接中，客户端可以发送多个Request，接收多个Response。但是请记住 Request = Response ，在HTTP中永远是这样，一个request只能有一个response。而且这个response也是被动的，不能主动发起。放上一张图，图左为没开启Keep-alive，图右为开启了Keep-alive，可以看出依然是一问一答的模式，向较左边只是省略了每次的关闭和打开操作。

需要注意的是Keep-alive是指不需要多次建立连接，而非http2.0里面的多路复用，多路复用的意思是客户端可以同时向服务器端发送多个请求，服务器端也可以同时响应多个Response.

关于websocket

那么如果我们需要服务器状态变化的时候能够主动通知客户端，我们有没有什么办法呢？这就要用到websocket。

上图对比可以看出，相对于传统 HTTP每次请求-应答都需要客户端与服务端建立连接的模式，WebSocket是类似 Socket 的 TCP 长连接的通讯模式，一旦 WebSocket 连接建立后，后续数据都以帧序列的形式传输。在客户端断开 WebSocket 连接或 Server 端断掉连接前，不需要客户端和服务端重新发起连接请求。在海量并发及客户端与服务器交互负载流量大的情况下，极大的节省了网络带宽资源的消耗，有明显的性能优势，且客户端发送和接受消息是在同一个持久连接上发起，实时性优势明显。

WebSocket API 是 HTML5 标准的一部分，但这并不代表 WebSocket 一定要用在 HTML 中，或者只能在基于浏览器的应用程序中使用。

在WebSocket中，只需要服务器和浏览器通过TCP协议进行一个握手的动作，然后单独建立一条TCP的通信通道进行数据的传送。WebSocket同HTTP一样也是应用层的协议，但是它是一种双向通信协议，是建立在TCP之上的。websocket的流程大概是以下几步：

1、浏览器、服务器建立TCP连接，三次握手。这是通信的基础，传输控制层，若失败后续都不执行。2、TCP连接成功后，浏览器通过HTTP协议向服务器传送WebSocket支持的版本号等信息。（开始前的HTTP握手） 3、服务器收到客户端的握手请求后，同样采用HTTP协议回馈数据。4、当收到了连接成功的消息后，通过TCP通道进行传输通信。

也就是说WebSocket在建立握手时，数据是通过HTTP传输的。但是建立之后，在真正传输时候是不需要TCP协议的。

看看一次websocket的握手请求与应答的报文

WebSocket 客户端连接报文

GET /webfin/websocket/ HTTP/1.1  Host: localhost Upgrade: websocket Connection:  Upgrade  Sec-WebSocket-Key: xqBt3ImNzJbYqRINxEFlkg==  Origin: http://localhost :8080  Sec-WebSocket-Version:  13

可以看到，客户端发起的 WebSocket 连接报文类似传统 HTTP 报文，”Upgrade：websocket”参数值表明这是 WebSocket 类型请求，“Sec-WebSocket-Key”是 WebSocket 客户端发送的一个 base64 编码的密文，要求服务端必须返回一个对应加密的“Sec-WebSocket-Accept”应答，否则客户端会抛出“Error during WebSocket handshake”错误，并关闭连接。

服务端收到报文后返回的数据格式类似：

WebSocket 服务端响应报文

GET /webfin/websocket/ HTTP/1.1Host: localhostUpgrade: websocketConnection: UpgradeSec-WebSocket-Key: xqBt3ImNzJbYqRINxEFlkg==Origin: http://localhost:8080Sec-WebSocket-Version: 13

“Sec-WebSocket-Accept”的值是服务端采用与客户端一致的密钥计算出来后返回客户端的,“HTTP/1.1 101 Switching Protocols”表示服务端接受 WebSocket 协议的客户端连接，经过这样的请求-响应处理后，客户端服务端的 WebSocket 连接握手成功, 后续就可以进行 TCP 通讯了。

WebSocket与Socket的关系

Socket其实并不是一个协议，而是为了方便使用TCP或UDP而抽象出来的一层，是位于应用层和传输控制层之间的一组接口。

Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

当两台主机通信时，必须通过Socket连接，Socket则利用TCP/IP协议建立TCP连接。TCP连接则更依靠于底层的IP协议，IP协议的连接则依赖于链路层等更低层次。

WebSocket则是一个典型的应用层协议。

WebSocket 与 HTTP

WebSocket 协议在2008年诞生，2011年成为国际标准。现在所有浏览器都已经支持了。WebSocket 的最大特点就是，服务器可以主动向客户端推送信息，客户端也可以主动向服务器发送信息，是真正的双向平等对话。

HTTP 有 1.1 和 1.0 之说，也就是所谓的 keep-alive ，把多个 HTTP 请求合并为一个，但是 Websocket 其实是一个新协议，跟 HTTP 协议基本没有关系，只是为了兼容现有浏览器，所以在握手阶段使用了 HTTP 。

下面一张图说明了 HTTP 与 WebSocket 的主要区别：

WebSocket 的其他特点：

建立在 TCP 协议之上，服务器端的实现比较容易。
与 HTTP 协议有着良好的兼容性。默认端口也是80和443，并且握手阶段采用 HTTP 协议，因此握手时不容易屏蔽，能通过各种 HTTP 代理服务器。
数据格式比较轻量，性能开销小，通信高效。
可以发送文本，也可以发送二进制数据。
没有同源限制，客户端可以与任意服务器通信。
协议标识符是ws（如果加密，则为wss），服务器网址就是 URL。

WebSocket原理及如何实现长连接

websocket相当于HTTP的一个补充协议，通过http request建立连接，不需要再发送request，之后保持一端与另外一端的TCP连接。

在实际应用中，一个socket与另外一端的连接可能会经过千山万水（多个路由、多个中间服务器），中间有各种转发、过滤。

所以后来更新了，添加了Ping/Pong Frame（RFC 6455 - The WebSocket Protocol），可以说这是一个特殊的数据包，

这个数据包只有简单的一些的元数据，不涉及数据传输。维持连接的活跃性与持久性。

参考文献

httpss://zh.wikipedia.org/wiki/WebSocket
httpss://www.oschina.net/translate/9-killer-uses-for-websockets
httpss://vue3js.cn/interview
httpss://www.cnblogs.com/Javi/p/9303020.html
httpss//blog.csdn.net/qq_35447305/article/details/52966105

end

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