面试题：知道WebSocket协议吗？

WebSocket 是一种基于 TCP 的应用层全双工通信协议 ，2011 年被 IETF 标准化为 RFC 6455，旨在解决 HTTP 单向通信的局限性，实现服务器与客户端之间的低延迟、实时双向数据传输。

一、核心定义与背景

定义：WebSocket 允许在单个 TCP 连接上进行双向、全双工通信，客户端和服务器完成一次握手后即可建立持久连接，双方可随时主动发送数据
诞生背景 ：
- 传统 HTTP 采用 "请求 - 响应" 模式，服务器无法主动推送数据
- 轮询 / 长轮询方案存在高延迟、资源浪费、频繁连接等问题
- WebSocket 通过协议升级机制，在 HTTP 基础上建立持久双向通道

二、核心特性

特性	说明
全双工通信	客户端和服务器可同时发送和接收数据，突破 HTTP 单向限制
持久连接	一次握手建立连接，长期保持，减少连接开销
低开销	帧头最小仅 2 字节，比 HTTP 请求头 (数百字节) 高效得多
实时性高	数据可即时传输，延迟可达毫秒级，适合实时场景
兼容性好	使用 80/443 端口，握手阶段通过 HTTP，兼容现有网络设施
安全性	支持 wss://(基于 TLS/SSL) 加密传输，保障数据安全
原生跨域	支持跨域通信，通过服务器配置即可实现

三、工作原理

1. 连接建立（握手过程）

WebSocket 通过 HTTP/1.1 的Upgrade 机制完成协议升级：

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客户端请求 → 服务器响应 → 协议升级完成

客户端握手请求（关键头字段）：

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GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket  # 核心：请求升级到WebSocket
Connection: Upgrade  # 配合Upgrade字段
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==  # 随机密钥，用于验证
Sec-WebSocket-Version: 13  # 协议版本，必须是13

服务器握手响应（关键头字段）：
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```
HTTP/1.1 101 Switching Protocols  # 状态码表示协议切换成功
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=  # 密钥验证结果
```
验证逻辑：服务器将Sec-WebSocket-Key + 固定 GUID (258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11)，进行 SHA-1 哈希并 Base64 编码，得到Sec-WebSocket-Accept值

2. 数据传输

连接建立后，数据以帧 (Frame) 为单位传输，帧结构如下：

字段	长度	说明
FIN	1 位	1 表示是消息最后一帧，0 表示后续还有帧
RSV1-3	3 位	扩展位，通常为 0
Opcode	4 位	帧类型：0x1 (文本)、0x2 (二进制)、0x8 (关闭)、0x9 (Ping)、0xA (Pong) 等
Mask	1 位	1 表示数据被掩码处理 (客户端发送必须置 1)
Payload len	7/7+16/7+64 位	数据长度：0-125 (直接表示)，126 (后续 2 字节)，127 (后续 8 字节)
Masking-key	0/4 字节	掩码密钥 (仅客户端发送有)
Payload data	可变	实际传输的数据

3. 连接维护与关闭

心跳机制：通过 Ping/Pong 帧检测连接状态，一方发送 Ping，另一方必须回复 Pong
关闭过程 ：
1. 一方发送 Opcode=0x8 的关闭帧，包含关闭码和原因
2. 另一方返回确认关闭帧
3. 双方关闭 TCP 连接

四、WebSocket vs HTTP 核心区别

对比维度	WebSocket	HTTP/1.x
通信模式	双向全双工，服务器可主动推送	单向请求 - 响应，客户端主导
连接状态	持久连接，一次握手长期有效	无状态，每次请求独立，默认短连接
数据格式	帧格式，头开销小 (2-14 字节)	文本格式，头开销大 (数百字节)
实时性	高 (毫秒级)，数据即时传输	低 (秒级)，依赖轮询 / 长轮询
适用场景	实时聊天、监控、协作工具、游戏等	页面加载、资源获取、表单提交等
协议标识	ws://(非加密)、wss://(加密)	http://、https://

五、典型应用场景

即时通讯：在线聊天、客服系统、社交消息推送
实时数据展示：股票行情、体育赛事直播、监控仪表盘
协作工具：多人在线编辑、白板共享、远程协作
游戏：多人在线游戏的实时交互
物联网：设备状态实时上报与控制
通知系统：系统告警、订单状态更新推送

六、Java 实现示例（Spring Boot）

以下是一个简单的 WebSocket 聊天服务器实现，基于 Spring Boot 的 WebSocket 支持：

复制代码

// 1. 配置类
@Configuration
@EnableWebSocket
public class WebSocketConfig implements WebSocketConfigurer {
    @Override
    public void registerWebSocketHandlers(WebSocketHandlerRegistry registry) {
        // 注册处理器，允许跨域
        registry.addHandler(chatHandler(), "/chat")
                .setAllowedOrigins("*")
                .withSockJS();  // 降级支持，兼容不支持WebSocket的浏览器
    }

    @Bean
    public WebSocketHandler chatHandler() {
        return new ChatWebSocketHandler();
    }
}

// 2. 处理器类
public class ChatWebSocketHandler extends TextWebSocketHandler {
    // 存储所有连接的会话
    private static final Set<WebSocketSession> sessions = 
        Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());

    @Override
    public void afterConnectionEstablished(WebSocketSession session) throws Exception {
        sessions.add(session);
        System.out.println("新连接：" + session.getId());
    }

    @Override
    protected void handleTextMessage(WebSocketSession session, TextMessage message) throws Exception {
        String payload = message.getPayload();
        System.out.println("收到消息：" + payload);
        
        // 广播消息给所有连接
        for (WebSocketSession s : sessions) {
            if (s.isOpen()) {
                s.sendMessage(new TextMessage("用户[" + session.getId() + "]: " + payload));
            }
        }
    }

    @Override
    public void afterConnectionClosed(WebSocketSession session, CloseStatus status) throws Exception {
        sessions.remove(session);
        System.out.println("连接关闭：" + session.getId());
    }
}

// 3. 前端测试代码
// <script>
// const socket = new WebSocket('ws://localhost:8080/chat');
// socket.onopen = () => console.log('连接成功');
// socket.onmessage = (event) => console.log('收到消息:', event.data);
// socket.send('Hello WebSocket!');
// </script>

七、面试速记版（核心考点）

WebSocket 定义：基于 TCP 的全双工通信协议，通过 HTTP 握手升级建立持久连接，实现服务器主动推送
核心优势：全双工、低延迟、低开销、持久连接，解决 HTTP 实时性不足问题
握手过程：客户端发送 Upgrade 请求→服务器返回 101 状态码→协议升级完成
帧结构：FIN、RSV、Opcode、Mask、Payload len、Masking-key、Payload data
状态码：1000 (正常关闭)、1001 (离开)、1002 (协议错误)、1003 (数据类型错误) 等
与 HTTP 区别：双向 vs 单向、持久 vs 短连接、低延迟 vs 高延迟、帧 vs 请求 - 响应
应用场景：实时聊天、监控、游戏、协作工具等需要双向实时通信的场景
安全：使用 wss:// 加密，避免数据被窃听
心跳机制：Ping/Pong 帧维持连接，检测异常断开
Java 实现：Spring Boot 通过 @EnableWebSocket 和 WebSocketHandler 实现，支持 SockJS 降级