WebSocket原理详解-编程知识

1.引言

1.1.使用HTTP不断轮询

1.2.长轮询

2.websocket

2.1.概述

2.2.websocket建立过程

2.3.抓包分析

2.4.websocket的消息格式

3.使用场景

4.总结

1.引言

平时我们打开网页，比如购物网站某宝。都是点一下列表商品，跳转一下网页就到了商品详情。从HTTP协议的角度来看，就是点一下网页上的某个按钮，前端发一次HTTP请求，网站返回一次HTTP响应。这种由客户端主动请求，服务器响应的方式也满足大部分网页的功能场景。但有没有发现，这种情况下，服务器从来就不会主动给客户端发一次消息。就像你喜欢的女生从来不会主动找你一样。

但如果现在，你在刷网页的时候右下角突然弹出一个小广告，提示你【一个人在家偷偷才能玩哦】。像这种看起来服务器主动发消息给客户端的场景，是怎么做到的呢？

1.1.使用HTTP不断轮询

其实问题的痛点在于，怎么样才能在用户不做任何操作的情况下，网页能收到消息并发生变更。

最常见的解决方案是，网页的前端代码里不断定时发HTTP请求到服务器，服务器收到请求后给客户端响应消息。

这其实时一种伪服务器推的形式。

它其实并不是服务器主动发消息到客户端，而是客户端自己不断偷偷请求服务器，只是用户无感知而已。

用这种方式的场景也有很多，最常见的就是扫码登录。

比如某信公众号平台，登录页面二维码出现之后，前端网页根本不知道用户扫没扫，于是不断去向后端服务器询问，看有没有人扫过这个码。而且是以大概1到2秒的间隔去不断发出请求，这样可以保证用户在扫码后能在1到2s内得到及时的反馈，不至于等太久。

但这样，会有两个比较明显的问题

当你打开F12页面时，你会发现满屏的HTTP请求。虽然很小，但这其实也消耗带宽，同时也会增加下游服务器的负担。
最坏情况下，用户在扫码后，需要等个1~2s，正好才触发下一次http请求，然后才跳转页面，用户会感到明显的卡顿。

使用起来的体验就是，二维码出现后，手机扫一扫，然后在手机上点个确认，这时候卡顿等个1~2s，页面才跳转。

那么问题又来了，有没有更好的解决方案？

有，而且实现起来成本还非常低。

1.2.长轮询

我们知道，HTTP请求发出后，一般会给服务器留一定的时间做响应，比如3s，规定时间内没返回，就认为是超时。

如果我们的HTTP请求将超时设置的很大，比如30s，在这30s内只要服务器收到了扫码请求，就立马返回给客户端网页。如果超时，那就立马发起下一次请求。

这样就减少了HTTP请求的个数，并且由于大部分情况下，用户都会在某个30s的区间内做扫码操作，所以响应也是及时的。

比如，某度云网盘就是这么干的。所以你会发现一扫码，手机上点个确认，电脑端网页就秒跳转，体验很好。

真一举两得。

像这种发起一个请求，在较长时间内等待服务器响应的机制，就是所谓的长训轮机制。我们常用的消息队列RocketMQ中，消费者去取数据时，也用到了这种方式。

像这种，在用户不感知的情况下，服务器将数据推送给浏览器的技术，就是所谓的服务器推送技术，它还有个毫不沾边的英文名，comet技术，大家听过就好。

上面提到的两种解决方案，本质上，其实还是客户端主动去取数据。

对于像扫码登录这样的简单场景还能用用。

但如果是网页游戏呢，游戏一般会有大量的数据需要从服务器主动推送到客户端。

这就得说下websocket了。

2.websocket

2.1.概述

我们知道TCP连接的两端，同一时间里，双方都可以主动向对方发送数据。这就是所谓的全双工。

而现在使用最广泛的HTTP1.1，也是基于TCP协议的，同一时间里，客户端和服务器只能有一方主动发数据，这就是所谓的半双工。

也就是说，好好的全双工TCP，被HTTP用成了半双工。

为什么？

这是由于HTTP协议设计之初，考虑的是看看网页文本的场景，能做到客户端发起请求再由服务器响应，就够了，根本就没考虑网页游戏这种，客户端和服务器之间都要互相主动发大量数据的场景。

所以为了更好的支持这样的场景，我们需要另外一个基于TCP的新协议。

于是新的应用层协议websocket就被设计出来了。

大家别被这个名字给带偏了。虽然名字带了个socket，但其实socket和websocket之间，就跟雷峰和雷峰塔一样，二者接近毫无关系。

2.2.websocket建立过程

我们平时刷网页，一般都是在浏览器上刷的，一会刷刷图文，这时候用的是HTTP协议，一会打开网页游戏，这时候就得切换成我们新介绍的websocket协议。

为了兼容这些使用场景。浏览器在TCP三次握手建立连接之后，都统一使用HTTP协议先进行一次通信。

如果此时是普通的HTTP请求，那后续双方就还是老样子继续用普通HTTP协议进行交互，这点没啥疑问。
如果这时候是想建立websocket连接，就会在HTTP请求里带上一些特殊的header头。

Connection: Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Key: T2a6wZlAwhgQNqruZ2YUyg==\r\n

这些header头的意思是，浏览器想升级协议（Connection: Upgrade），并且想升级成websocket协议（Upgrade: websocket）。

同时带上一段随机生成的base64码（Sec-WebSocket-Key），发给服务器。

如果服务器正好支持升级成websocket协议。就会走websocket握手流程，同时根据客户端生成的base64码，用某个公开的算法变成另一段字符串，放在HTTP响应的 Sec-WebSocket-Accept 头里，同时带上101状态码，发回给浏览器。

HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n
Sec-WebSocket-Accept: iBJKv/ALIW2DobfoA4dmr3JHBCY=\r\n
Upgrade: websocket\r\n
Connection: Upgrade\r\n

http状态码=200（正常响应）的情况，大家见得多了。101确实不常见，它其实是指协议切换。

之后，浏览器也用同样的公开算法将base64码转成另一段字符串，如果这段字符串跟服务器传回来的字符串一致，那验证通过。

就这样经历了一来一回两次HTTP握手，websocket就建立完成了，后续双方就可以使用webscoket的数据格式进行通信了。

2.3.抓包分析

我们可以用wireshark抓个包，实际看下数据包的情况。

上面这张图，注意画了红框的第2445行报文，是websocket的第一次握手，意思是发起了一次带有特殊Header的HTTP请求。

上面这个图里画了红框的4714行报文，就是服务器在得到第一次握手后，响应的第二次握手，可以看到这也是个HTTP类型的报文，返回的状态码是101。同时可以看到返回的报文header中也带有各种websocket相关的信息，比如Sec-WebSocket-Accept。

上面这张图就是全貌了，从截图上的注释可以看出，websocket和HTTP一样都是基于TCP的协议。经历了三次TCP握手之后，利用HTTP协议升级为websocket协议。

你在网上可能会看到一种说法："websocket是基于HTTP的新协议"，其实这并不对，因为websocket只有在建立连接时才用到了HTTP，升级完成之后就跟HTTP没有任何关系了。

这就好像你喜欢的女生通过你要到了你大学室友的微信，然后他们自己就聊起来了。你能说这个女生是通过你去跟你室友沟通的吗？不能。你跟HTTP一样，都只是个工具人。

这就有点"借壳生蛋"的那意思。

2.4.websocket的消息格式

上面提到在完成协议升级之后，两端就会用webscoket的数据格式进行通信。

数据包在websocket中被叫做帧。

我们来看下它的数据格式长什么样子。

这里面字段很多，但我们只需要关注下面这几个。

opcode字段：这个是用来标志这是个什么类型的数据帧。比如。

等于1时是指text类型（string）的数据包
等于2是二进制数据类型（[]byte）的数据包
等于8是关闭连接的信号

payload字段：存放的是我们真正想要传输的数据的长度，单位是字节。比如你要发送的数据是字符串"111"，那它的长度就是3。

另外，可以看到，我们存放payload长度的字段有好几个，我们既可以用最前面的7bit, 也可以用后面的7+16bit或7+64bit。

那么问题就来了。

我们知道，在数据层面，大家都是01二进制流。我怎么知道什么情况下应该读7bit，什么情况下应该读7+16bit呢？

websocket会用最开始的7bit做标志位。不管接下来的数据有多大，都先读最先的7个bit，根据它的取值决定还要不要再读个16bit或64bit。

如果最开始的7bit的值是 0~125，那么它就表示了 payload 全部长度，只读最开始的7个bit就完事了。

如果是126（0x7E）。那它表示payload的长度范围在 126~65535 之间，接下来还需要再读16bit。这16bit会包含payload的真实长度。

如果是127（0x7F）。那它表示payload的长度范围>=65536，接下来还需要再读64bit。这64bit会包含payload的长度。这能放2的64次方byte的数据，换算一下好多个TB，肯定够用了。

payload data字段：这里存放的就是真正要传输的数据，在知道了上面的payload长度后，就可以根据这个值去截取对应的数据。

大家有没有发现一个小细节，websocket的数据格式也是 数据头（内含payload长度） + payload data 的形式。

TCP协议本身就是全双工，但直接使用纯裸TCP去传输数据，会有粘包的"问题"。为了解决这个问题，上层协议一般会用消息头+消息体的格式去重新包装要发的数据。

而消息头里一般含有消息体的长度，通过这个长度可以去截取真正的消息体。

HTTP协议和大部分RPC协议，以及我们今天介绍的websocket协议，都是这样设计的。

3.使用场景

websocket完美继承了TCP协议的全双工能力，并且还贴心的提供了解决粘包的方案。它适用于需要服务器和客户端（浏览器）频繁交互的大部分场景。比如网页/小程序游戏，网页聊天室，以及一些类似飞书这样的网页协同办公软件。

回到文章开头的问题，在使用websocket协议的网页游戏里，怪物移动以及攻击玩家的行为是服务器逻辑产生的，对玩家产生的伤害等数据，都需要由服务器主动发送给客户端，客户端获得数据后展示对应的效果。

4.总结

TCP协议本身是全双工的，但我们最常用的HTTP1.1，虽然是基于TCP的协议，但它是半双工的，对于大部分需要服务器主动推送数据到客户端的场景，都不太友好，因此我们需要使用支持全双工的websocket协议。
在HTTP1.1里。只要客户端不问，服务端就不答。基于这样的特点，对于登录页面这样的简单场景，可以使用定时轮询或者长轮询的方式实现服务器推送(comet)的效果。
对于客户端和服务端之间需要频繁交互的复杂场景，比如网页游戏，都可以考虑使用websocket协议。
websocket和socket几乎没有任何关系，只是叫法相似。
正因为各个浏览器都支持HTTP协议，所以websocket会先利用HTTP协议加上一些特殊的header头进行握手升级操作，升级成功后就跟HTTP没有任何关系了，之后就用websocket的数据格式进行收发数据。