计算机网络——简单说说WebSocket协议

一、前言

之前做了一个Web小项目，需要实现后端持续给前端推送消息的功能，当时最开始使用的是轮询实现，但是效率太低，对资源消耗也大。之后为了解决这个问题，上网查阅资料后，改用了WebSocket实现，前后端直接建立全双工的连接传递消息。但是当时只是学习了一下怎么使用，没有具体研究WebSocket是什么，以及实现原理。这段时间花了点时间重新了解了一下，这篇博客就来简单介绍一下。

二、正文

2.1 什么是WebSocket

WebSocket和HTTP一样，是一个应用层的网络协议，它的作用是可以使客户端和服务器在应用层建立一个全双工的连接，然后通过这个连接，客户端和服务器就可以互相传递数据。有的人可能会问，HTTP不是也能实现客户端和服务器传递数据，为什么还需要WebSocket呢？下面我就来对WebSocket以及HTTP做一个对比。

2.2 WebSocket、HTTP的区别与联系

首先来说HTTP。我们知道，HTTP是一个无状态的协议，也就是说，在服务器端并不会记录发送请求的客户端的身份，这也就意味着HTTP服务器不会主动向客户端发送消息。事实也确实如此，HTTP协议实现的是请求-响应模型，只有当客户端向服务器发送请求，服务器才会向客户端回送数据。熟悉HTTP协议的应该知道，HTTP连接分持续连接和非持续连接，对于使用非持续连接的HTTP客户端，每一次连接只会有一次请求；而对于持续连接，则一个连接可以有多个请求，但是这个连接也是有时效的，几十秒或者几秒后这个连接就会被释放。服务器不会主动发送消息，意味着如果我们需要实现一个类似消息推送的功能（比如聊天室），则需要客户端每隔一段时间向服务器发出一次请求，询问是否有自己的消息，这就是轮询。而由于HTTP连接维持时间较短，意味着可能客户端的每一次询问，都要重新建立一个HTTP连接，这不仅效率低下，而且十分消耗资源。正因为如此，才需要WebSocket。

WebSocket正是为了解决这样的问题而被发明出来。WebSocket是一个应用层的协议，它依靠HTTP实现连接前的握手，而底层依赖TCP协议传递消息。在建立连接阶段，客户端依靠HTTP连接，与服务器进行一次握手，当握手完成后，WebSocket连接便建立完成，这之后客户端就可以与服务器进行通信了。需要强调的是，WebSocket依赖TCP进行数据传输，这也就意味着这是一个全双工的连接，即服务器可以主动向客户端发送消息，而不需要客户端的请求；客户端也可以自由的向服务器发送消息。更重要的是，TCP是一个持久的连接，而基于它的WebSocket自然也是一样的，只要两端没有发起断开连接的请求，且连接没有长时间闲置，则在不发送异常的情况下，这个连接将一直存在。这就很好地解决了轮询重复建立连接的弊端。

2.3 WebSocket建立连接的过程

下面我们具体来说一说WebSocket如何建立连接。前面说过，WebSocket基于HTTP进行握手从而建立连接，使用HTTP协议是为了兼容服务于HTTP的Web服务器以及中间代理服务器。下面我就来详细说一说握手的三个阶段。

（1）客户端向服务器发送HTTP请求报文

握手的第一个阶段：客户端与服务器建立HTTP连接，并发送请求报文，请求报文的格式如下：

GET / HTTP/1.1

Upgrade: WebSocket

Connection: Upgrade

Host: example.com

Origin: HTTP://example.com

Sec-WebSocket-Key: sN9cRrP/n9NdMgdcy2VJFQ==

Sec-WebSocket-Version: 13

可以看到，这个请求是一个GET请求，请求中必须包含这些首部信息：

Host：需要建立连接的服务器名称；
Connection：必须包含此首部，且值必须为Upgrade，表明这是一个协议升级请求；
Upgrade：必须包含此首部，且值必须为WebSocket，表明当前连接请求升级为WebSocket连接；
Origin：如果这个请求是从浏览器发出的，那么还必须带有Origin请求头；
Sec-WebSocket-Key：这是浏览器随机生成的值，用来验证服务器身份；
Sec-WebSocket-Version：这个表示的是WebSocket的版本号码；

（2）服务器接收请求，并响应

握手第二个阶段：服务器接收到了客户端发来的协议升级请求，会先判断请求报文是否合法，若没有什么异常，则会给客户端发送响应，响应报文如下：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols

Upgrade: WebSocket

Connection: Upgrade

Sec-WebSocket-Accept: fFBooB7FAkLlXgRSz0BT3v4hq5s=

需要注意一点，响应报文的状态码是101，101状态码的含义是：服务器正在根据客户端的指定，将协议切换为请求报文中Upgrade指定的协议。下面我们来说一说响应报文中的首部：

Connection：值和请求报文中一致，表明这是一个协议升级请求的响应报文；
Upgrade：值为WebSocket，表明这个响应报文，响应的协议升级请求，是希望升级为WebSocket协议；
Sec-WebSocket-Accept：这个值是服务器接收到客户端发来的Sec-WebSocket-Key值后，经过加密计算出来的值，用来向客户端表明自己的身份；

（3）客户端验证服务器身份

客户端接收到服务器发回来的响应报文后，将对响应报文进行校验：

首先客户端将检测响应的状态码是否为101，若不是，表明协议升级失败，连接自然无法建立；
若状态码正常，则接着检测Sec-WebSocket-Accept的值。客户端使用相同的加密方式，对Sec-WebSocket-Key进行计算，若计算的结果与服务器发来的Sec-WebSocket-Accept的值一致，表明服务器身份没有问题，于是连接成功建立，否则放弃建立连接；

连接建立后，客户端和服务器就可以基于TCP，进行全双工的通信了。

三、总结

上面的内容对WebSocket的机制做了一个大致的介绍，相信对于看完之后会对WebSocket的工作机制有一个大致的了解。以上内容描述的比较简单，若有补充或者发现错误，欢迎指正。关于WebSocket的详细介绍，可以参考规范文档【RFC6455】：HTTPs://tools.ietf.org/html/rfc6455#page-41。

四、参考

HTTPs://mp.weixin.qq.com/s/aolwd8SYib6GD3xAnrxSEQ