websocket的那些事 - 初識

簡介 

     WebSocket是一種在單個TCP連接上進行全雙工通訊的協議。WebSocket通信協議於2011年被IETF定爲標準RFC 6455，並由RFC7936補充規範。WebSocket API也被W3C定爲標準。

       WebSocket使得客戶端和服務器之間的數據交換變得更加簡單，允許服務端主動向客戶端推送數據。在WebSocket API中，瀏覽器和服務器只需要完成一次握手，兩者之間就直接可以創建持久性的連接，並進行雙向數據傳輸。

出現背景

在websocket出現之前，實現服務器向客戶端推送信息，都是基於HTTP請求，實現技術有以下幾種：

輪詢方式：客戶端定時向服務端發送ajax請求，服務器接收到請求後馬上返回消息並關閉連接。
優點：後端程序編寫比較容易。
缺點：TCP的建立和關閉操作浪費時間和帶寬，請求中有大半是無用，浪費帶寬和服務器資源。
實例：適於小型應用。

長輪詢：客戶端向服務器發送Ajax請求，服務器接到請求後hold住連接，直到有新消息才返回響應信息並關閉連接，客戶端處理完響應信息後再向服務器發送新的請求。
優點：在無消息的情況下不會頻繁的請求，耗費資源小。
缺點：服務器hold連接會消耗資源，返回數據順序無保證，難於管理維護。
實例：WebQQ、Hi網頁版、Facebook IM。

長連接：在頁面裏嵌入一個隱蔵iframe，將這個隱蔵iframe的src屬性設爲對一個長連接的請求或是採用xhr請求，服務器端就能源源不斷地往客戶端輸入數據。
優點：消息即時到達，不發無用請求；管理起來也相對方便。
缺點：服務器維護一個長連接會增加開銷，當客戶端越來越多的時候，server壓力大！
實例：Gmail聊天

Flash Socket：在頁面中內嵌入一個使用了Socket類的 Flash 程序JavaScript通過調用此Flash程序提供的Socket接口與服務器端的Socket接口進行通信，JavaScript在收到服務器端傳送的信息後控制頁面的顯示。
優點：實現真正的即時通信，而不是僞即時。
缺點：客戶端必須安裝Flash插件，移動端支持不好，IOS系統中沒有flash的存在；非HTTP協議，無法自動穿越防火牆。
實例：網絡互動遊戲。

        在這種情況下，HTML5定義了WebSocket協議，能更好的節省服務器資源和帶寬，並且能夠更實時地進行通訊。

Websocket使用ws或wss的統一資源標誌符，類似於HTTPS，其中wss表示在TLS之上的Websocket。如：

ws://example.com/wsapi
wss://secure.example.com/

Websocket使用和 HTTP 相同的 TCP 端口，可以繞過大多數防火牆的限制。默認情況下，Websocket協議使用80端口；運行在TLS之上時，默認使用443端口。

優點

• 較少的控制開銷。在連接創建後，服務器和客戶端之間交換數據時，用於協議控制的數據包頭部相對較小。在不包含擴展的情況下，對於服務器到客戶端的內容，此頭部大小隻有2至10字節（和數據包長度有關）；對於客戶端到服務器的內容，此頭部還需要加上額外的4字節的掩碼。相對於HTTP請求每次都要攜帶完整的頭部，此項開銷顯著減少了。

• 更強的實時性。由於協議是全雙工的，所以服務器可以隨時主動給客戶端下發數據。相對於HTTP請求需要等待客戶端發起請求服務端才能響應，延遲明顯更少；即使是和Comet等類似的長輪詢比較，其也能在短時間內更多次地傳遞數據。

• 保持連接狀態。於HTTP不同的是，Websocket需要先創建連接，這就使得其成爲一種有狀態的協議，之後通信時可以省略部分狀態信息。而HTTP請求可能需要在每個請求都攜帶狀態信息（如身份認證等）。

• 更好的二進制支持。Websocket定義了二進制幀，相對HTTP，可以更輕鬆地處理二進制內容。

• 可以支持擴展。Websocket定義了擴展，用戶可以擴展協議、實現部分自定義的子協議。如部分瀏覽器支持壓縮等。

• 更好的壓縮效果。相對於HTTP壓縮，Websocket在適當的擴展支持下，可以沿用之前內容的上下文，在傳遞類似的數據時，可以顯著地提高壓縮率。

握手協議

WebSocket 是獨立的、創建在 TCP 上的協議。

Websocket 通過 HTTP/1.1 協議的101狀態碼進行握手。

爲了創建Websocket連接，需要通過瀏覽器發出請求，之後服務器進行迴應，這個過程通常稱爲“握手”（handshaking），交互如下圖所示：

交互請求頭實例

一個典型的Websocket握手請求如下：

客戶端請求

GET / HTTP/1.1
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Host: example.com
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Key: sN9cRrP/n9NdMgdcy2VJFQ==
Sec-WebSocket-Version: 13

服務器迴應

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: fFBooB7FAkLlXgRSz0BT3v4hq5s=
Sec-WebSocket-Location: ws://example.com/

字段說明

• Connection必須設置Upgrade，表示客戶端希望連接升級。
• Upgrade字段必須設置Websocket，表示希望升級到Websocket協議。
• Sec-WebSocket-Key是隨機的字符串，服務器端會用這些數據來構造出一個SHA-1的信息摘要。把“Sec-WebSocket-Key”加上一個特殊字符串“258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”，然後計算SHA-1摘要，之後進行BASE-64編碼，將結果做爲“Sec-WebSocket-Accept”頭的值，返回給客戶端。如此操作，可以儘量避免普通HTTP請求被誤認爲Websocket協議。
• Sec-WebSocket-Version 表示支持的Websocket版本。RFC6455要求使用的版本是13，之前草案的版本均應當棄用。
• Origin字段是可選的，通常用來表示在瀏覽器中發起此Websocket連接所在的頁面，類似於Referer。但是，與Referer不同的是，Origin只包含了協議和主機名稱。
• 其他一些定義在HTTP協議中的字段，如Cookie等，也可以在Websocket中使用。

支持瀏覽器

實現websocket的協議，瀏覽器扮演着一個很重要的角色。所有最新的瀏覽器支持最新規範（RFC 6455）的WebSocket協議。一個詳細的測試報告列出了這些瀏覽器支持的Websocket版本。

瀏覽器支持現狀

協議	發佈日期	IE	Firefox（個人電腦）	Firefox (Android)	Chrome（個人電腦，手機）	Safari（Mac, iOS）	Opera（個人電腦，手機）	Android瀏覽器
hixie-75	2010年2月4日				4	5.0.0
hixie-76 hybi-00	2010年5月10日， 2010年5月23日		4.0（已禁用）		6	5.0.1	11.00（已禁用）
7 hybi-07	2011年4月22日		6[4]1
8 hybi-10	2011年7月11日		7[5]1	7	14[6]
13 RFC 6455	2011年12月	10[7]	11	11	16[8]	6	12.10[9]	4.4[10]

參考資料

WebSocket
https://zh.wikipedia.org/wiki/WebSocket

java WebSocket開發入門WebSocket

https://www.jianshu.com/p/d79bf8174196

WebSocket 教程

http://www.ruanyifeng.com/blog/2017/05/websocket.html