深入理解WebSocket：实时双向通信的利器

一、介绍

1.1 基础概念介绍

单工通信：数据传输只允许在一个方向上传输，只能一方发送数据，另一方接收数据并发送。
半双工：数据传输允许两个方向上的传输，但在同一时间内，只可以有一方发送或接收数据。
全双工：同时可进行双向数据传输。

1.2 WebSocket介绍

WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议，它能够在客户端和服务器之间建立实时、双向的通信通道。

与传统的HTTP通信相比，WebSocket更轻量级、更高效，适用于需要实时通信或推送消息的场景。

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。

1.2.1 websocket 出现背景

WebSocket是一种在客户端和服务器之间建立持久连接的通信协议。它的背景可以追溯到Web应用程序需要实时双向通信的需求。

在传统的HTTP通信中，HTTP 协议是一种无状态的、无连接的、单向的应用层协议。它采用了请求/响应模型。通信请求只能由客户端发起，服务端对请求做出应答处理。

客户端发送请求，服务器响应后即断开连接，HTTP 协议无法实现服务器主动向客户端发起消息，因此无法支持实时性要求高的应用场景，比如在线游戏、即时聊天、股票行情等。

很多网站为了实现推送技术，所用的技术都是轮询。即在特定得时间间隔，由浏览器对服务器发出http请求。

为了解决这一问题，Web开发者开始寻找一种更有效的方式来实现实时通信。WebSocket应运而生，它允许在客户端和服务器之间建立一次连接，并且可以在连接建立后保持长时间活跃，双方可以随时发送数据。这种持久连接的特性使得WebSocket非常适合实时通信应用场景，从而推动了Web应用程序的发展。

WebSocket的发展背景还包括了对网络性能和效率的追求。相比传统的HTTP轮询或长轮询方式，WebSocket可以减少通信的延迟和带宽消耗，提升了网络通信的效率。这也是WebSocket在各种实时通信应用中得到广泛应用的重要原因之一。

总的来说，WebSocket的研发背景主要是为了满足Web应用程序对实时通信的需求，并且提升网络通信的效率和性能。

1.3 websocket与HTTP比较

1.3.1 相似之处：

基于TCP/IP协议：WebSocket和HTTP都是基于TCP/IP协议栈的应用层协议。
用于客户端和服务器之间的通信：WebSocket和HTTP都是用于客户端和服务器之间的通信，但在用途上有所区别。

1.3.2 不同之处：

通信方式：
- HTTP：HTTP是一种单向的、无状态的通信协议，通常是客户端向服务器发起请求，服务器返回响应的模式。
- WebSocket：WebSocket是一种全双工的通信协议，允许客户端和服务器之间同时发送和接收数据，实现了双向通信。
连接方式：
- HTTP：HTTP是一种短连接的协议，每次通信都需要建立一个新的连接，通信结束后立即关闭连接。
- WebSocket：WebSocket是一种长连接的协议，一旦建立连接，客户端和服务器之间可以保持长时间的通信，不需要频繁地建立和断开连接。
数据格式：
- HTTP：HTTP通常使用文本格式来传输数据，如HTML、JSON等。
- WebSocket：WebSocket支持传输任意格式的数据，可以是文本、二进制等。
实时性和效率：
- HTTP：HTTP通常是基于请求-响应模式，因此在实时性和效率上有一定的限制，适用于普通的网页浏览和数据传输。
- WebSocket：WebSocket是专门设计用于实时通信的协议，实时性和效率较高，适用于需要实时通信或推送消息的场景。
适用场景：
- HTTP：适用于普通的网页浏览、数据传输等场景。
- WebSocket：适用于实时聊天应用、在线游戏、实时数据展示等需要实时通信的场景。

1.4 websocket握手过程

WebSocket握手过程是建立WebSocket连接的第一步，它是基于HTTP协议的，但在一定程度上有所不同。以下是WebSocket握手过程的简要步骤：

客户端发送WebSocket握手请求：客户端发送一个HTTP请求给服务器，请求升级连接为WebSocket。请求中包含了一些特殊的头部字段，如Upgrade和Connection字段，以及Sec-WebSocket-Key字段等。
服务器响应WebSocket握手请求：服务器收到客户端的握手请求后，会进行验证并作出响应。服务器会返回一个HTTP 101状态码（表示协议切换）并在响应头部中包含一些特殊的字段，如Upgrade和Connection字段，以及Sec-WebSocket-Accept字段等。同时，服务器也会发送一些WebSocket扩展和子协议等信息。
建立WebSocket连接：客户端收到服务器的响应后，如果状态码为101，则握手成功，此时WebSocket连接已经建立。客户端和服务器可以通过该连接进行双向通信。
双方开始交换数据：建立了WebSocket连接后，客户端和服务器可以随时发送数据，并且可以实现双向通信。

需要注意的是，WebSocket握手过程在HTTP层面进行，但建立了WebSocket连接后，通信协议会切换到WebSocket协议，之后的通信就不再遵循HTTP协议的规则。这样可以实现更加高效和实时的双向通信。

二、WebSocket的用法

1. 创建WebSocket连接

在JavaScript中，可以使用WebSocket API来创建WebSocket连接：

javascript 复制代码

var socket = new WebSocket('ws://example.com/socket');

2. 监听WebSocket事件

可以监听WebSocket对象的各种事件，包括连接建立、消息接收、连接关闭等：

javascript 复制代码

socket.onopen = function() {
  console.log('WebSocket连接已建立');
};

socket.onmessage = function(event) {
  console.log('收到消息：', event.data);
};

socket.onclose = function() {
  console.log('WebSocket连接已关闭');
};

3. 发送和接收消息

通过WebSocket对象的send方法可以向服务器发送消息，服务器也可以通过WebSocket对象的send方法向客户端发送消息：

javascript 复制代码

// 发送消息
socket.send('Hello, Server!');

// 接收消息在onmessage事件中处理
socket.onmessage = function(event) {
  console.log('收到消息：', event.data);
};

三、WebSocket在项目中的应用

WebSocket可以被广泛应用于需要实时通信或推送消息的场景，例如：

实时聊天应用：WebSocket能够实现即时通讯，可以让用户之间实时发送消息、接收消息。
在线游戏：WebSocket可用于在线游戏中，实现玩家之间的实时交互、游戏状态的同步等功能。
实时数据展示：对于需要实时展示数据变化的项目，如股票交易系统、监控系统等，可以使用WebSocket将实时数据推送给客户端。
协作编辑：在协作编辑类的应用中，多个用户可以同时编辑同一个文档或项目，WebSocket可以用于实现多用户之间的实时同步。
通知推送：WebSocket可以用于向客户端推送实时通知，例如新消息通知、系统提醒等。

3.1 示例：实时聊天应用

下面是一个简单的实时聊天应用的示例，使用WebSocket实现客户端和服务器之间的实时通信：

1、服务端代码（Node.js）

javascript 复制代码

const WebSocket = require('ws');
const wss = new WebSocket.Server({ port: 8080 });

wss.on('connection', function connection(ws) {
  ws.on('message', function incoming(message) {
    console.log('收到消息：', message);
    // 广播消息给所有客户端
    wss.clients.forEach(function each(client) {
      if (client !== ws && client.readyState === WebSocket.OPEN) {
        client.send(message);
      }
    });
  });
});

2、客户端代码（HTML + JavaScript）

html 复制代码

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>WebSocket Chat</title>
</head>
<body>
  <input type="text" id="messageInput">
  <button onclick="sendMessage()">Send</button>
  <ul id="messageList"></ul>

  <script>
    var socket = new WebSocket('ws://localhost:8080');

    socket.onmessage = function(event) {
      var messageList = document.getElementById('messageList');
      var li = document.createElement('li');
      li.textContent = event.data;
      messageList.appendChild(li);
    };

    function sendMessage() {
      var messageInput = document.getElementById('messageInput');
      var message = messageInput.value;
      socket.send(message);
      messageInput.value = '';
    }
  </script>
</body>
</html>

这个示例实现了一个简单的实时聊天应用，用户可以在输入框中输入消息并发送，其他用户能够即时收到消息并显示在页面上。

结论

WebSocket是一种强大的实时通信协议，它能够在客户端和服务器之间建立持久的双向通信通道，为项目中的实时通信场景提供了极大的便利。通过本文的介绍和示例，相信读者对WebSocket有了更深入的理解，能够更加灵活地运用WebSocket解决实际的项目需求。