【计算机网络】什么是WebSocket？

WebSocket

WebSocket是一种网络传输协议,可在单个TCP连接上进行全双工通信，位于OSI模型的应用层。

WebSocket使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务器主动向客户端推送数据。在WebSocket API中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就可以建立持久性的连接，并进行双向数据传输。

简介

WebSocket是一种与HTTP不同的协议。两者都位于OSI模型的应用层，并且都依赖于传输层的TCP协议。虽然它们不同，但是RFC 6544中规定：WebSocket通过HTTP端口80和443进行工作，并支持HTTP代理和中介,从而使其与HTTP协议兼容。为了实现兼容性，WebSocket握手使用Upgrade头从HTTP协议更改为WebSocket协议。

WebSocket协议支持Web浏览器（或其他客户端服务器应用程序）与Web服务器之间的交互，具有较低的开销，便于实现客户端与服务器的实时数据传输。服务器可以通过标准化的方式来实现，而无需客户端首先请求内容，并允许消息在保持连接打开的同时来回传递。通过这种方式，可以在客户端与服务器之间进行双向持续对话。通信通过TCP端口80或443完成，这在防火墙阻止非Web网络连接的环境下是有益的。

与HTTP不同，WebSocket提供全双工通信。此外，WebSocket还可以在TCP之上实现消息流。TCP单独处理字节流，没有固有的消息概念。 在WebSocket之前，使用Comet可以实现全双工通信。但是Comet存在TCP握手和HTTP头的开销，因此对于小消息来说效率很低。WebSocket协议旨在解决这些问题。

协议

WebSocket是独立的、建立在TCP上的协议。

WebSocket通过HTTP/1.1协议的101状态码进行握手。

为了建立Websocket连接，需要通过浏览器发出请求，之后服务器进行回应，这个过程通常称为“握手”（Handshaking）。

eg：

一个典型的WebSocket握手请求如下：

客户端请求：

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13

服务器回应：

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

字段说明

• Connection必须设置Upgrade，表示客户端希望连接升级。
• Upgrade字段必须设置WebSocket，表示希望升级到WebSocket协议。
• Sec-WebSocket-Key是随机的字符串，服务器端会用这些数据来构造出一个SHA-1的信息摘要，之后进行Base64编码，将结果做为"Sec-WebSocket-Accept" 头的值，返回给客户端。如此操作，可以尽量避免普通HTTP请求被误认为Websocket协议。
• Sec-WebSocket-Version 表示支持的Websocket版本。RFC6455要求使用的版本是13。
• Origin字段是必须的。如果缺少origin字段，WebSocket服务器需要回复HTTP 403状态码。
• 在WebSocket协议中，Sec-WebSocket-Protocol是一个HTTP请求头部字段，用于在握手期间指定客户端和服务器之间所使用的子协议（subprotocol）。子协议是WebSocket协议的扩展功能，允许客户端和服务器之间约定一种特定的通信协议或数据格式。通过使用子协议，WebSocket连接可以支持多个应用层协议，而不仅限于默认的WebSocket协议。
• 其他一些定义在HTTP协议中的字段，如Cookie等，也可以在Websocket中使用。

优点

• 较少的控制开销。在连接建立后，服务器和客户端之间交换数据时，用于协议控制的数据包头部相对较小。在不包含扩展的情况下，对于服务器到客户端的内容，此头部大小只有2至10字节（和数据包长度有关）；对于客户端到服务器的内容，此头部还需要加上额外的4字节的掩码。相对于HTTP请求每次都要携带完整的头部，此项开销显著减少了。
• 更强的实时性。由于协议是全双工的，所以服务器可以随时主动给客户端下发数据。相对于HTTP请求需要等待客户端发起请求服务端才能响应，延迟明显更少；即使是和Comet等类似的长轮询比较，其也能在短时间内更多次地传递数据。
• 保持连接状态。与HTTP不同的是，Websocket需要先建立连接，这就使得其成为一种有状态的协议，之后通信时可以省略部分状态信息。而HTTP请求可能需要在每个请求都携带状态信息（如身份认证等）。
• 更好的二进制支持。Websocket定义了二进制帧，相对于HTTP，可以轻松地处理二进制内容。
• 可以支持扩展。Websocket定义了扩展，用户可以扩展协议、实现部分自定义的子协议。如部分浏览器支持压缩等。
• 更好的压缩效果。相对于HTTP压缩，Websocket在适当的扩展支持下，可以沿用之前内容的上下文，在传递类似的数据时，可以显著地提高压缩率。

使用场景

1. 即时聊天（IM）：WebSocket可以实现实时的消息传递，使得即时聊天应用能够实时地将消息推送给在线用户，实现实时的聊天体验。
2. 实时数据监控和推送：WebSocket可以用于实时监控和推送数据，例如股票行情，实时交通信息、天气更行等。服务器可以将最新的数据实时推送给客户端，使用户能够实时获取并展示最新的数据。
3. 多人协作应用：WebSocket可以用于多人协作应用程序，例如实时协作编辑器、白板应用等。多个用户可以在同一文档或画布上实时协作、彼此之间的更改和操作可以实时同步。
4. 游戏应用：WebSocket提供了实时的双向通信，非常适合在线游戏应用。游戏服务器可以实时推送游戏状态、玩家动作等数据给客户端，实现多人实时游戏体验。

后面会用Go语言实现一个完整的Websocket聊天系统，感兴趣的小伙伴可以关注一下博主哈