WebSocket

WebSocket 总结

一、是什么？

WebSocket 是一种全双工、持久连接 的网络通信协议，位于 OSI 第七层（应用层），在 TCP 之上运行。它允许客户端和服务器在单个 TCP 连接上同时双向发送消息，无需像 HTTP 那样每次请求都要重新建立连接。

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二、核心特点

特点	说明
全双工	双方可随时主动发送消息，没有"请求-响应"的强制顺序
持久连接	握手成功后，连接保持开放，直到任意一方主动关闭
低延迟	省去了 HTTP 重复的握手头开销，消息边界清晰，无粘包问题
协议内建控制帧	支持 Ping/Pong（心跳）、关闭帧等，无需应用层额外设计
基于 TCP	可靠传输，自带序列号和重传机制
跨端口复用	与 HTTP 共享 80/443 端口，便于穿透防火墙

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三、与 HTTP 的关系

• 非替代，而是升级 ：WebSocket 握手使用 HTTP 的 Upgrade 机制，握手成功后协议切换。
• 相同之处 ：
  • URL 模式：ws://（类似 http://）、wss://（类似 https://，使用 TLS 加密）。
  • 握手阶段可携带自定义 Header（如 Authorization、Cookie）。
• 不同之处 ：
  • HTTP 是半双工（请求→响应结束），WebSocket 是全双工。
  • HTTP 每个请求都有头部开销，WebSocket 头部只有 2~14 字节。
  • WebSocket 不粘包（基于帧），HTTP 基于文本的行/空行边界。

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四、握手过程（简化）

1. 客户端发送 HTTP 请求（升级到 WebSocket）：

   GET /chat HTTP/1.1
   Host: example.com
   Upgrade: websocket
   Connection: Upgrade
   Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
   Sec-WebSocket-Version: 13

2. 服务器响应 101 Switching Protocols：

   HTTP/1.1 101 Switching Protocols
   Upgrade: websocket
   Connection: Upgrade
   Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

3. 握手完成，TCP 连接保持，进入数据帧传输阶段。

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五、数据帧格式（核心）

字段	长度	说明
FIN	1 bit	是否为消息最后一帧（0=分片，1=完整）
RSV1-3	3 bits	扩展保留，通常为 0
Opcode	4 bits	帧类型：1=文本，2=二进制，8=关闭，9=Ping，10=Pong，0=续帧
MASK	1 bit	是否掩码（客户端→服务器必须为 1）
Payload len	7 bits	载荷长度提示：0-125 直接表示，126 后跟 2 字节，127 后跟 8 字节
Extended Payload Len	0, 2, 8 字节	当 Payload len 为 126 或 127 时提供实际长度
Masking Key	0 或 4 字节	若 MASK=1，则存在，用于解码载荷
Payload Data	变长	实际应用数据（文本或二进制）

关键点：

• 客户端发出的帧必须掩码（MASK=1），服务器收到的帧如果未掩码则断开连接。
• 服务器→客户端的帧禁止掩码（MASK=0）。
• 掩码算法：payload[i] = original[i] XOR maskingKey[i % 4]

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六、粘包问题

WebSocket 不会粘包 。因为每个帧头部明确给出了 Payload Len，接收端可以精确切分消息。应用层收到的 receive 回调一定对应一次完整的 send（除非分片帧，但框架已自动重组）。

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七、常用控制帧

帧类型	用途
Close (0x8)	关闭连接。载荷前 2 字节为状态码（如 1000=正常关闭），后续可跟 UTF-8 原因字符串。
Ping (0x9)	探测连接存活。接收方必须立即回复 Pong（载荷与 Ping 相同）。
Pong (0xA)	对 Ping 的响应。

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八、iOS 开发中的实现

• 官方 API ：URLSessionWebSocketTask（iOS 13+），封装了帧构建、掩码、自动 Ping/Pong 等。
• 无需手撕帧头 ，只需调用 send()、receive()、sendPing() 等方法。
• 手动实现（学习/底层控制）时需处理：掩码、载荷长度扩展、字节序转换、分片重组等。

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九、典型应用场景

• 即时聊天（微信、QQ、钉钉）
• 实时行情推送（股票、币价）
• 多人协作文档（Google Docs）
• 游戏中的同步指令
• 物联网设备状态上报

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十、与其他方案的简单对比

方案	通信方式	实时性	开销	适用场景
HTTP 轮询	客户端周期性请求	差（延迟高）	高	低实时性需求
HTTP 长轮询	请求挂起直到有新数据	较好	中	兼容老浏览器
SSE	服务器→客户端单向	好	低	仅需服务器推送（如通知）
WebSocket	全双工实时	极好	低	双向交互场景
TCP Socket 裸写	全双工	极好	最低	需要极致控制（但需处理粘包等）

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十一、帧头Frame_head

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
 +-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
 |F|R|R|R| opcode|M| Payload len |    Extended payload length    |
 |I|S|S|S|  (4)  |A|     (7)     |             (16/64)           |
 |N|V|V|V|       |S|             |   (if payload len==126/127)   |
 | |1|2|3|       |K|             |                               |
 +-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +
 |     Extended payload length continued, if payload len == 127  |
 + - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+
 |                               |Masking-key, if MASK set to 1  |
 +-------------------------------+-------------------------------+
 | Masking-key (continued)       |          Payload Data         |
 +-------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - +
 :                     Payload Data continued ...                :
 + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +
 |                     Payload Data continued ...                |
 +---------------------------------------------------------------+
 

一句话总结

WebSocket 是一种基于 TCP 的全双工持久协议，通过一次 HTTP 握手升级连接，使用轻量帧头传输，天然解决粘包问题，是现代实时双向通信的标准方案。