Go Web 中 WebSocket 原理与实战详解

在 Web 开发中，大多数人每天都在编写 HTTP 接口，却很少真正思考一个问题：如果服务端需要"主动"把消息推送给客户端，该怎么办？

传统的 HTTP 请求--响应模型决定了通信只能由客户端发起，这在即时通信、实时推送、在线协作等场景下显得力不从心。正是在这样的背景下，WebSocket 应运而生。

本文将从通信模型的角度出发，系统讲解 WebSocket 是如何工作的，以及它为何成为实时 Web 系统的核心技术。

一、为什么需要 WebSocket

1.HTTP 的先天缺陷

HTTP 是 请求-响应模型：

客户端请求 → 服务端响应 → 连接关闭（或复用）

问题：

• 服务端 不能主动推送数据

• 实时性差

• 高频轮询浪费资源

例如以下的场景：

• 聊天消息

• 股票行情

• 设备状态变化

如果用 HTTP进行轮询

客户端：有新消息吗？

客户端：有新消息吗？

客户端：有新消息吗？

客户端会一直发送请求，而服务端会一直判断请求的结果。这样会导致一系列问题比如：

低效、延迟高、服务器压力大

2.WebSocket 的核心目标

建立一次连接，长期保持，双向实时通信

WebSocket 让通信模型变成：

客户端 ⇄ 服务端（随时互相发消息）

二、WebSocket 的本质

WebSocket 的本质是借用 HTTP 握手兼容网络、基于 TCP 实现的全双工应用层长连接协议，核心解决了 Web 场景下 "服务端主动推数据" 的需求。

WebSocket 是 HTML5 规范定义的应用层协议（RFC 6455 标准），其底层完全依赖 TCP 协议提供的可靠字节流传输，最终实现「客户端与服务端的全双工、长连接通信」

WebSocket = 基于 TCP 的全双工长连接协议

三、WebSocket 握手全过程

WebSocket 通过 HTTP Upgrade 建立连接

WebSocket 为了兼容现有网络（防火墙、代理通常放行 HTTP），采用「HTTP 升级握手」的方式建立连接：

1. 客户端发送 HTTP 请求，头部携带 Upgrade: websocket 和 Connection: Upgrade，声明要升级为 WebSocket 协议；
2. 服务端同意升级，返回 101 Switching Protocols 响应；
3. 握手完成后，底层 TCP 连接被 "接管"，后续通信不再遵循 HTTP 规则，而是用 WebSocket 帧格式传输数据。

客户端发起 HTTP 请求

GET /ws HTTP/1.1

Host: example.com

Upgrade: websocket

Connection: Upgrade

Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==

Sec-WebSocket-Version: 13

服务端返回 101 Switching Protocols

HTTP/1.1 101 Switching Protocols

Upgrade: websocket

Connection: Upgrade

Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

HTTP 协议结束，TCP 连接不关闭，开始使用WebSocket 帧协议

四、WebSocket 帧结构

| FIN | OPCODE | MASK | PAYLOAD LEN | DATA |

1. FIN：帧是否为消息的 "最后一帧"

核心作用：WebSocket 支持 "消息分片"------ 一个完整的消息可以拆分成多个帧发送，FIN 标记当前帧是否是该消息的最后一帧；

若一条消息拆成 3 帧 发送：第 1、2 帧 FIN=0，第 3 帧 FIN=1；

2. OPCODE：帧的 "类型"（操作码）

OPCODE 值	含义	场景
0x0（0）	延续帧（Continuation Frame）	消息分片时，非首帧的后续帧
0x1（1）	文本帧（Text Frame）	传输 UTF-8 文本数据（如 JSON）
0x2（2）	二进制帧（Binary Frame）	传输二进制数据（如文件、图片）
0x8（8）	关闭帧（Close Frame）	主动关闭连接时发送
0x9（9）	心跳请求（Ping Frame）	检测连接是否存活（服务端 / 客户端均可发）
0xA（10）	心跳响应（Pong Frame）	收到 Ping 后必须回复 Pong

3. MASK：载荷数据是否 "加掩码"

核心规则（强制）：

客户端 → 服务端：MASK=1（必须加掩码，否则服务端拒收）；

服务端 → 客户端：MASK=0（禁止加掩码）；

为什么加掩码？：防止恶意数据被中间件（如代理）误解为 HTTP 协议，提升安全性；

4. PAYLOAD LEN：载荷数据的长度

5. DATA：实际传输的 "有效数据"（PAYLOAD DATA）

五、Go 中 WebSocket 的基本使用

Go 标准库 不直接提供 WebSocket，通常使用：github.com/gorilla/websocket

WebSocket 服务端

var upgrader = websocket.Upgrader{
    CheckOrigin: func(r *http.Request) bool {
        return true // 生产环境需校验
    },
}

func wsHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    conn, err := upgrader.Upgrade(w, r, nil)
    if err != nil {
        return
    }
    defer conn.Close()


    for {
        msgType, msg, err := conn.ReadMessage()
        if err != nil {
        break
        }
        conn.WriteMessage(msgType, msg)
        }
}

核心步骤：

1. HTTP 请求进入 Handler

2. Upgrade() 完成协议升级

3. 得到一个 TCP Socket 长连接

WebSocket 客户端

conn, _, err := websocket.DefaultDialer.Dial(
    "ws://localhost:8080/ws", nil,
)
if err != nil {
    panic(err)
}


defer conn.Close()


conn.WriteMessage(websocket.TextMessage, []byte("hello"))
_, msg, _ := conn.ReadMessage()
fmt.Println(string(msg))

六、WebSocket 的通信模型

一个连接 = 一个 Socket

一个连接

├── 读协程（Read Loop）

└── 写协程（Write Loop）

• 避免写阻塞读

• 避免并发写 panic

七、WebSocket 心跳机制

为什么需要心跳？

• NAT / 代理会悄悄断连接

• TCP 断了你不一定立刻知道

常见方式

• ping / pong

• 定时消息

// 设置 Pong 帧的处理函数：当收到对方（服务端/客户端）的 Pong 帧时，执行该回调
conn.SetPongHandler(func(string) error {
    // 重置连接的「读超时时间」为当前时间 + 60秒
    conn.SetReadDeadline(time.Now().Add(60 * time.Second))
    return nil // 无错误返回，标识 Pong 帧处理成功
})

八、完整通信模型总结图（文字版）

HTTP 建立连接
        ↓
Upgrade → WebSocket
        ↓
TCP 长连接保持
        ↓
消息驱动 + 全双工通信
        ↓
心跳维持连接
        ↓
任意一方关闭连接

WebSocket 基于 TCP 建立长连接，通信模型是全双工、消息驱动的，连接一旦建立，客户端和服务端都可以随时主动发送消息，适合实时、高频、双向通信场景。