一文带你认识 WebSocket 协议

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一、是什么

WebSocket,是一种网络传输协议,位于OSI模型的应用层。可在单个TCP连接上进行全双工通信,能更好的节省服务器资源和带宽并达到实时通迅

客户端和服务器只需要完成一次握手,两者之间就可以创建持久性的连接,并进行双向数据传输

从上图可见,websocket服务器与客户端通过握手连接,连接成功后,两者都能主动的向对方发送或接受数据

而在websocket出现之前,开发实时web应用的方式为轮询

不停地向服务器发送 HTTP 请求,问有没有数据,有数据的话服务器就用响应报文回应。如果轮询的频率比较高,那么就可以近似地实现“实时通信”的效果

轮询的缺点也很明显,反复发送无效查询请求耗费了大量的带宽和 CPU资源

二、特点

全双工

通信允许数据在两个方向上同时传输,它在能力上相当于两个单工通信方式的结合

例如指 A→B 的同时 B→A ,是瞬时同步的

二进制帧

采用了二进制帧结构,语法、语义与 HTTP 完全不兼容,相比http/2WebSocket更侧重于“实时通信”,而HTTP/2 更侧重于提高传输效率,所以两者的帧结构也有很大的区别

不像 HTTP/2 那样定义流,也就不存在多路复用、优先级等特性

自身就是全双工,也不需要服务器推送

协议名

引入wswss分别代表明文和密文的websocket协议,且默认端口使用80或443,几乎与http一致

ws://www.chrono.com
ws://www.chrono.com:8080/srv
wss://www.chrono.com:445/im?user_id=xxx

握手

WebSocket也要有一个握手过程,然后才能正式收发数据

客户端发送数据格式如下:

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
  • Connection:必须设置Upgrade,表示客户端希望连接升级
  • Upgrade:必须设置Websocket,表示希望升级到Websocket协议
  • Sec-WebSocket-Key:客户端发送的一个 base64 编码的密文,用于简单的认证秘钥。要求服务端必须返回一个对应加密的“Sec-WebSocket-Accept应答,否则客户端会抛出错误,并关闭连接
  • Sec-WebSocket-Version :表示支持的Websocket版本

服务端返回的数据格式:

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=Sec-WebSocket-Protocol: chat
  • HTTP/1.1 101 Switching Protocols:表示服务端接受 WebSocket 协议的客户端连接
  • Sec-WebSocket-Accep:验证客户端请求报文,同样也是为了防止误连接。具体做法是把请求头里“Sec-WebSocket-Key”的值,加上一个专用的 UUID,再计算摘要

优点

  • 较少的控制开销:数据包头部协议较小,不同于http每次请求需要携带完整的头部
  • 更强的实时性: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
  • 保持创连接状态:创建通信后,可省略状态信息,不同于HTTP每次请求需要携带身份验证
  • 更好的二进制支持:定义了二进制帧,更好处理二进制内容
  • 支持扩展:用户可以扩展websocket协议、实现部分自定义的子协议
  • 更好的压缩效果: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

二、应用场景

基于websocket的实时通信的特点,经常能看到其广泛的应用场景,下方列举如:

  • 弹幕
  • 媒体聊天
  • 协同编辑
  • 基于位置的应用
  • 体育实况更新
  • 股票基金报价实时更新

参考文献

  • https://zh.wikipedia.org/wiki/WebSocket
  • https://www.oschina.net/translate/9-killer-uses-for-websockets
  • https://vue3js.cn/interview
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