计算机网络WebSocket——针对实习面试

计算机网络WebSocket

什么是WebSocket？

WebSocket是一个网络通信协议，提供了一个全双工通信渠道，通过一个单一的长期连接允许服务器主动向客户端发送数据。以下是关于WebSocket的一些关键点：

全双工通信：
- WebSocket允许服务器和客户端之间进行双向实时通信，即双方可以在任何时刻发送数据，不需要等待对方的请求或响应。
持久连接：
- 一旦WebSocket连接建立，它会保持开放状态，直到客户端或服务器决定关闭连接，这与HTTP的请求-响应模式不同，后者每次通信都需要建立新的连接。
低延迟：
- 由于连接是持久的，WebSocket减少了因建立连接而产生的延迟，这对于需要快速响应的应用（如在线游戏、实时聊天等）非常重要。
基于TCP：
- WebSocket在TCP之上运行，使用80端口（非加密）或443端口（加密，即wss://）。
数据格式：
- WebSocket可以传输文本和二进制数据，这使得它适用于各种类型的应用，包括那些需要传输大量数据的应用。
浏览器支持：
- 现代浏览器普遍支持WebSocket，使得开发者可以在客户端轻松实现WebSocket通信。
安全性：
- WebSocket Secure（wss://）提供了加密的WebSocket连接，类似于HTTPS，确保数据传输的安全。
适用场景：
- WebSocket适用于需要服务器实时推送数据到客户端的应用，如股票行情、实时通知、在线协作工具、网络游戏等。
握手过程：
- WebSocket连接的建立是通过一个HTTP请求完成的，这个请求包含了特定的头部信息，如Upgrade: websocket，服务器响应这个请求并完成握手后，HTTP连接就会升级为WebSocket连接。
事件和API：
- 在JavaScript中，WebSocket提供了onopen、onmessage、onerror和onclose等事件，以及send和close等方法，使得在客户端实现WebSocket通信变得简单。

WebSocket的出现，为开发实时、交互性强的网络应用提供了强大的支持。

WebScoket和HTTP协议的区别是什么?

WebSocket和HTTP协议在设计和用途上有几个主要的区别：

WebScoket和HTTP协议的区别关键字记忆

特性	WebSocket	HTTP
连接类型	持久连接	无状态连接
连接数量	每个客户端一个持久连接	多个请求/响应周期，每个周期一个连接
通信模式	全双工通信	请求/响应模式
性能	低延迟，适用于实时应用	延迟较高，适用于请求数据
头部开销	无额外开销	每个请求/响应都需要携带头部信息
适用场景	实时通信，如聊天应用、游戏	网页内容传输，文件下载
服务器推送	支持	不支持，除非使用长轮询或SSE
协议	WebSocket协议（基于TCP）	HTTP/1.1 或 HTTP/2
安全性	支持WSS（WebSocket Secure）	支持HTTPS
API复杂性	相对简单，专注于实时通信	复杂，支持多种方法（GET, POST, PUT, DELETE等）
浏览器兼容性	现代浏览器普遍支持	所有浏览器支持
控制权	客户端和服务器都可以主动发送消息	客户端发起请求，服务器响应

以下是对表格中各项特性的详细说明：

连接类型：
- WebSocket ：建立连接后，客户端和服务器之间可以保持一个持久的连接，这个连接可以用于双向数据传输，直到客户端或服务器决定关闭连接。
- HTTP ：每次HTTP通信都是无状态的，意味着每个请求都是独立的，服务器在处理完请求后就会关闭连接（除非使用持久连接，如HTTP/1.1中的keep-alive）。
连接数量：
- WebSocket ：通常每个客户端与服务器之间只维持一个WebSocket连接。
- HTTP ：在一次会话中，客户端可能需要多次与服务器建立连接，发送多个请求。
通信模式：
- WebSocket：支持全双工通信，即客户端和服务器可以同时发送和接收数据，类似于电话通话。
- HTTP：基于请求/响应模式，客户端发送请求，服务器响应请求。
性能：
- WebSocket：由于减少了连接建立和关闭的开销，WebSocket适用于需要快速、实时通信的应用。
- HTTP：每个请求都需要建立连接（除非使用持久连接），因此延迟较高，不适合实时通信。
头部开销：
- WebSocket：一旦连接建立，后续通信不需要携带HTTP头部，减少了数据传输的开销。
- HTTP：每个请求和响应都需要携带HTTP头部，增加了数据传输的开销。
适用场景：
- WebSocket：适用于需要实时数据传输的应用，如在线游戏、实时聊天应用、股票行情更新等。
- HTTP：适用于传统的网页内容传输，文件下载，API调用等。
服务器推送：
- WebSocket：服务器可以随时向客户端推送数据，无需客户端请求。
- HTTP：服务器不能主动向客户端推送数据，除非使用长轮询或服务器发送事件（SSE）。
协议：
- WebSocket：基于TCP协议，有专门的WebSocket协议规范。
- HTTP：基于TCP协议，有HTTP/1.1和HTTP/2等不同的版本。
安全性：
- WebSocket：可以通过WSS（WebSocket Secure）实现加密通信。
- HTTP：可以通过HTTPS实现加密通信。
API复杂性：
- WebSocket：API相对简单，主要关注于建立连接和发送/接收消息。
- HTTP：API更为复杂，支持多种HTTP方法（如GET, POST, PUT, DELETE等），以及状态码、头部字段等。
浏览器兼容性：
- WebSocket：现代浏览器普遍支持WebSocket。
- HTTP：所有浏览器都支持HTTP。
控制权：
- WebSocket：客户端和服务器都可以控制通信，可以主动发送消息。
- HTTP：控制权在客户端，客户端发起请求，服务器响应。

WebSocket和HTTP各有优势，适用于不同的应用场景。WebSocket适合需要持续、实时通信的应用，而HTTP适合于传统的请求/响应模式的应用。

说明WebSocket的优势和使用场景？

WebSocket的优势：

实时性：
- WebSocket提供了全双工通信，允许服务器实时向客户端推送数据，这对于需要即时更新的应用非常关键。
持久连接：
- 与HTTP不同，WebSocket建立了一个持久的连接，不需要每次通信都重新建立连接，这减少了延迟和网络开销。
减少服务器负载：
- 由于WebSocket连接是持久的，它减少了服务器处理频繁HTTP请求的负载。
减少数据传输：
- WebSocket在建立连接后，后续通信不需要携带HTTP头部信息，这减少了数据传输量。
双向通信：
- WebSocket支持客户端和服务器之间的双向通信，这使得交互更加灵活。
跨域通信：
- WebSocket支持跨域通信，这使得在不同域之间进行实时通信成为可能。
更好的用户体验：
- 对于需要快速响应的应用，WebSocket可以提供更流畅和响应更快的用户体验。
安全性：
- 通过wss://（WebSocket Secure），WebSocket提供了加密的通信，确保数据传输的安全性。

WebSocket的使用场景：

在线聊天应用：
- 需要实时消息传递的聊天应用，如WhatsApp、微信等。
实时通知和消息推送：
- 邮件、社交媒体通知、新闻更新等。
股票交易平台：
- 需要实时更新股票价格和市场数据的平台。
在线游戏：
- 多人在线游戏需要实时通信来同步玩家状态。
协作工具：
- 如Google Docs等实时协作编辑文档的工具。
实时数据监控：
- 监控系统状态、性能指标等，如服务器监控、网络监控等。
物联网（IoT）：
- 连接和控制物联网设备，如智能家居设备。
视频流和音频流：
- 虽然通常使用更专业的协议，但WebSocket也可以用于低延迟的流媒体传输。
远程桌面和VPN：
- 提供远程访问和控制桌面或网络的能力。
多用户实时应用：
- 任何需要多个用户实时交互的应用，如在线课堂、会议系统等。

说明WebSocket的建立连接的过程？

WebSocket的建立连接过程涉及一个握手阶段，这个过程将一个普通的HTTP连接升级为WebSocket连接。以下是详细的步骤：

客户端发起握手请求：
- 客户端（通常是浏览器）向服务器发送一个HTTP请求，这个请求看起来像普通的HTTP请求，但包含了一些特殊的头部信息，以表明这是一个WebSocket握手请求。
- 这个请求包含以下特殊的HTTP头部字段：
  - Upgrade: websocket：表明这是一个升级请求。
  - Connection: Upgrade：表明连接需要升级。
  - Host：请求的服务器地址。
  - Origin：请求的源地址（如果跨域）。
  - Sec-WebSocket-Key：一个Base64编码的随机值，用于握手过程中的安全性验证。
  - Sec-WebSocket-Version：WebSocket协议的版本号。
服务器响应握手请求：
- 服务器接收到请求后，检查请求头部，确认这是一个WebSocket握手请求。
- 如果服务器同意升级连接，它会发送一个HTTP响应，包含以下头部字段：
  - Upgrade: websocket：确认升级。
  - Connection: Upgrade：确认连接升级。
  - Sec-WebSocket-Accept：服务器对客户端Sec-WebSocket-Key的响应，是一个经过特定算法处理的值，用于验证握手的安全性。
客户端验证响应：
- 客户端接收到服务器的响应后，会验证Sec-WebSocket-Accept值是否正确。这是通过将Sec-WebSocket-Key值与一个特定的GUID字符串组合，然后进行SHA-1散列和Base64编码得到的。
连接建立：
- 如果验证通过，客户端会关闭HTTP连接，并打开一个WebSocket连接。
- 此时，客户端和服务器之间的连接已经升级为WebSocket连接，可以开始全双工通信。
通信：
- 一旦WebSocket连接建立，客户端和服务器就可以通过这个连接发送和接收数据帧，直到连接被关闭。
关闭连接：
- WebSocket连接可以通过发送一个关闭帧来关闭。客户端和服务器都可以发起关闭流程。

这个过程确保了WebSocket连接的安全性和可靠性，同时也允许服务器和客户端在建立连接之前进行必要的协商。