【WebSocket】原理介绍

参考资料：
一文吃透WebSocket原理

什么是 WebSocket

单tcp 全双工
服务端主动向客户端推送
计算机网络应用层协议，弥补http协议在持久通信能力的不足
服务器推送技术
TCP上
与HTTP兼容，默认端口 80 和 443
握手阶段用HTTP协议
数据格式轻量
可以发送文本/二进制数据
协议标识ws，如果加密，则是wss

为什么需要 websocket

HTTP的缺陷：通信只能由客户端发起，不具备服务器推送能力。如果服务器有连续的状态变化，客户端只能轮询，效率低且浪费资源

服务端被迫维持来自每个客户端的大量不同连接

大量轮询请求会造成高开销，比如带上多余的header，造成无用的数据传输

WebSocket和HTTP的区别

图源：见参考文章

WebSocket建立握手时，是通过HTTP建立，但是建立后传输时不需要HTTP。

Websocket 是双向通信协议，可以双向发送或接受信息，HTTP是单向的；
HTTP/2 也可以主动推送，但是推送的是静态资源，不能推送指定信息。

WebSocket 协议原理

一个 WebSocket 握手的例子

js 复制代码

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13
Origin: http://example.com

Upgrade: 升级头，告诉服务器我想用的是 websocket 协议
Connection: 连接头，配合upgrade，告诉服务器本次连接需要升级
Sec-WebSocket-Key: WebSocket专用，客户端随机生成的16字节随机数，经过 Base64 编码后的字符串。避免服务端把普通HTTP请求误判为WebSocket请求，并且起到握手校验的作用，服务端会将这个key拼接上固定字符串，做哈希后再进行Base64编码，生成 Sec-WebSocket-Accept 响应头返回给客户端，客户端校验后才算握手成功。
Sec-WebSocket-Protocol: WebSocket子协议头，客户端声明"我支持的 WebSocket 子协议"，多个子协议用逗号分开。
- 作用是协商应用层协议，比如聊天系统可能定义 chat 子协议，文件传输定义 file 子协议，服务端可以选择其中一个或拒绝。
- 子协议是业务层约定，不是 websocket核心协议，可以省略。
- 是用户定义的字符串，用来区分同一个URL下，不同服务所需要的协议。
Sec-WebSocket-Version: WebSocket 版本头，含义是客户端支持的 WebSocket 版本，服务端只支持特定版本，如果客户端版本不匹配，服务端会返回426 Upgrade Required错误，并告知支持的版本。

服务端响应

js 复制代码

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk=
Sec-WebSocket-Protocol: chat

Upgrade: 告诉客户端即将升级的是 websocket 协议
Connection: 配合Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: 经过服务器确认，加密过后的 Sec-WebSocket-Key。
Sec-WebSocket-Protocol: 表示最终使用的协议

WebSocket 建立连接的过程

客户端发起HTTP请求，经过3次握手后，建立起TCP连接，HTTP请求中放WebSocket 支持的版本号等信息；

服务端收到客户端的HTTP请求后，采用HTTP协议返回数据；

客户端收到连接成功的消息后，开始借助于TCP传输信道进行全双工传输。

应用场景

即时聊天通信
多玩家游戏
在线协同编辑
实时数据流的拉取与推送
体育/游戏实况
实时地图位置
即时web应用程序即时Web应用程序使用一个web套接字在客户端显示数据，数据由后端服务器连续发送，在websocket中数据被连续推送、传输到已打开的同一个连接中。
聊天应用程序：聊天应用程序仅使用websocket建立一次连接，能在订阅户之间交换、发布和广播消息，重复使用相同的websocket连接，用于发送和接收消息以及一对一的消息传输。

不适用的场景

获取旧数据或者只想获取一次数据供应用程序使用，这种情况用HTTP即可。

如果仅加载一次数据，RESTful Web 服务足以从服务器获取数据。

WebSocket 断线重连

为什么需要 WebSocket 心跳

心跳：客户端定时给服务端发送消息，证明客户端是在线的，如果超过一定时间没有发送就是离线了。

WebSocket 是长连接，实际网络中存在"隐性断开"的场景，比如网络波动，防火墙/代理超时，客户端异常退出等，心跳机制核心目的是主动检测连接的活性，及时发现断开的连接，清理无效资源。

心跳是单向/双向的定时交互，这里以"客户端主动发心跳，服务端校验"为例。

有几种不同的设计方案，有的是在客户端设置定时器：

客户端每隔一个时间间隔发送一个探测包给服务端，
客户端发包时启动一个超时定时器，
服务端接收到检测包，回应一个包，
如果客户端接收到服务端的应答包，则说明服务端正常，删除超时定时器，
如果客户端的超时定时器超时，依然没有收到应答包，说明服务器挂了。