一文带你看懂WebSocket 的原理？为什么可以实现持久连接？

àì夳堔傛蜴生んèń 2022-01-06 01:55 200阅读 0赞

工作之余在知乎上偶然看到一篇回帖，瞬间觉得之前看的那么多资料都不及这一篇让我对 `websocket` 的认知深刻易懂，之前看总完总觉得一知半解云里雾里。所以与大家共同分享一下一起学习。比较喜欢这种博客理论和小故事的事例结合，读起来很轻松，不枯燥。废话不多说了，进入正题了~

## 一、websocket与http ##

***WebSocket是HTML5出的东西（协议），也就是说HTTP协议没有变化，或者说没关系，但HTTP是不支持持久连接的（长连接，循环连接的不算）***

首先HTTP有 `1.1` 和 `1.0` 之说，也就是所谓的 `keep-alive` ，把多个HTTP请求合并为一个，但是 `Websocket` 其实是一个新协议，跟HTTP协议基本没有关系，只是为了兼容现有浏览器的握手规范而已，也就是说它是HTTP协议上的一种补充可以通过这样一张图理解

![iE3yuqA.png_web][]

有交集，但是并不是全部。

另外Html5是指的一系列新的API，或者说新规范，新技术。Http协议本身只有1.0和1.1，而且跟Html本身没有直接关系。。通俗来说，你可以用HTTP**协议**传输非Html**数据**，就是这样=。=再简单来说，层级不一样。

## 二、Websocket与Http请求响应机制 ##

传统HTTP客户端与服务器请求响应模式如下图所示：

![v2-c99efde0caccb49814ea83c126b0e18a_hd.jpg][]

WebSocket模式客户端与服务器请求响应模式如下图：

![v2-e4128e588c6c21216319351ee7eb0bac_hd.jpg][]

上图对比可以看出，相对于传统HTTP每次请求-应答都需要客户端与服务端建立连接的模式，WebSocket是类似Socket的TCP长连接通讯模式。一旦WebSocket连接建立后，后续数据都以帧序列的形式传输。在客户端断开WebSocket连接或Server端中断连接前，不需要客户端和服务端重新发起连接请求。在海量并发及客户端与服务器交互负载流量大的情况下，极大的节省了网络带宽资源的消耗，有明显的性能优势，且客户端发送和接受消息是在同一个持久连接上发起，实时性优势明显。

相比HTTP长连接，WebSocket有以下特点：

*  是真正的全双工方式，建立连接后客户端与服务器端是完全平等的，可以互相主动请求。而HTTP长连接基于HTTP，是传统的客户端对服务器发起请求的模式。
 *  HTTP长连接中，每次数据交换除了真正的数据部分外，服务器和客户端还要大量交换HTTP header，信息交换效率很低。Websocket协议通过第一个request建立了TCP连接之后，之后交换的数据都不需要发送 HTTP header就能交换数据，这显然和原有的HTTP协议有区别所以它需要对服务器和客户端都进行升级才能实现（主流浏览器都已支持HTML5）。此外还有 multiplexing、不同的URL可以复用同一个WebSocket连接等功能。这些都是HTTP长连接不能做到的。

## 三、Websocket是什么样的协议，具体有什么优点 ##

首先，Websocket是一个**持久化**的协议，相对于HTTP这种**非持久**的协议来说。简单的举个例子吧，用目前应用比较广泛的*Servlet*生命周期来解释。

HTTP的生命周期通过 `Request` 来界定，也就是一个 `Request` 一个 `Response` ，那么在 `HTTP1.0` 中，这次HTTP请求就结束了。

在HTTP1.1中进行了改进，使得有一个keep-alive，也就是说，在一个HTTP连接中，可以发送多个Request，接收多个Response。但是请记住 `Request = Response`， 在HTTP中永远是这样，也就是说一个request只能有一个response。而且这个response也是**被动的**，不能主动发起。

教练，你BB了这么多，跟Websocket有什么关系呢？\_(:з」∠)\_好吧，我正准备说Websocket呢。。

首先Websocket是基于HTTP协议的，或者说**借用了**HTTP的协议来完成一部分握手。

首先我们来看个典型的 `Websocket` 握手（借用Wikipedia的。。）

GET /chat HTTP/1.1 Host: server.example.com Upgrade: websocket Connection: Upgrade Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw== Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat Sec-WebSocket-Version: 13 Origin: http://example.com

熟悉HTTP的童鞋可能发现了，这段类似HTTP协议的握手请求中，多了几个东西。我会顺便讲解下作用。

Upgrade: websocket Connection: Upgrade

这个就是Websocket的核心了，告诉 `Apache` 、 `Nginx` 等服务器：***注意啦，我发起的是Websocket协议，快点帮我找到对应的助理处理~不是那个老土的HTTP。***

Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw== Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat Sec-WebSocket-Version: 13

首先， `Sec-WebSocket-Key` 是一个 `Base64 encode` 的值，这个是浏览器随机生成的，告诉服务器：**泥煤，不要忽悠窝，我要验证尼是不是真的是Websocket助理。**

然后， `Sec_WebSocket-Protocol` 是一个用户定义的字符串，用来区分同URL下，不同的服务所需要的协议。简单理解：**今晚我要服务A，别搞错啦~**

最后， `Sec-WebSocket-Version` 是告诉服务器所使用的 `Websocket Draft` （协议版本），在最初的时候，Websocket协议还在 `Draft` 阶段，各种奇奇怪怪的协议都有，而且还有很多期奇奇怪怪不同的东西，什么Firefox和Chrome用的不是一个版本之类的，当初Websocket协议太多可是一个大难题。。不过现在还好，已经定下来啦~大家都使用的一个东西~ 脱水： **服务员，我要的是13岁的噢→\_→**

然后服务器会返回下列东西，表示已经接受到请求， 成功建立Websocket啦！

HTTP/1.1 101 Switching Protocols Upgrade: websocket Connection: Upgrade Sec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk= Sec-WebSocket-Protocol: chat

这里开始就是HTTP最后负责的区域了，告诉客户，我已经成功切换协议啦~

Upgrade: websocket Connection: Upgrade

依然是固定的，告诉客户端即将升级的是 `Websocket` 协议，而不是mozillasocket，lurnarsocket或者shitsocket。

然后， `Sec-WebSocket-Accept` 这个则是经过服务器确认，并且加密过后的 `Sec-WebSocket-Key` 。 服务器：**好啦好啦，知道啦，给你看我的ID CARD来证明行了吧。。**

后面的， `Sec-WebSocket-Protocol` 则是表示最终使用的协议。

至此，HTTP已经完成它所有工作了，接下来就是完全按照Websocket协议进行了。具体的协议就不在这阐述了。

——————技术解析部分完毕——————

![yQJFRva.jpg_web][]

你TMD又BB了这么久，那到底Websocket有什么鬼用， `http long poll` ，或者`ajax轮询` 不都可以实现实时信息传递么。

![2yIRbun.jpg_web][]

好好好，年轻人，那我们来讲一讲Websocket有什么用。来给你吃点胡（苏）萝（丹）卜（红）

![nIV7RbE.jpg_web][]

## 四、Websocket的作用 ##

在讲Websocket之前，我就顺带着讲下 `long poll` 和 `ajax轮询` 的原理。

### ajax轮询 ###

ajax轮询的原理非常简单，让浏览器隔个几秒就发送一次请求，询问服务器是否有新信息。

场景再现：

客户端：啦啦啦，有没有新信息(Request)

服务端：没有（Response）

客户端：啦啦啦，有没有新信息(Request)

服务端：没有。。（Response）

客户端：啦啦啦，有没有新信息(Request)

服务端：你好烦啊，没有啊。。（Response）

客户端：啦啦啦，有没有新消息（Request）

服务端：好啦好啦，有啦给你。（Response）

客户端：啦啦啦，有没有新消息（Request）

服务端：。。。。。没。。。。没。。。没有（Response） —- loop

### long poll ###

`long poll` 其实原理跟 `ajax轮询` 差不多，都是采用轮询的方式，不过采取的是阻塞模型（一直打电话，没收到就不挂电话），也就是说，客户端发起连接后，如果没消息，就一直不返回Response给客户端。直到有消息才返回，返回完之后，客户端再次建立连接，周而复始。

场景再现：

客户端：啦啦啦，有没有新信息，没有的话就等有了才返回给我吧（Request）

服务端：额。。 等待到有消息的时候。。来 给你（Response）

客户端：啦啦啦，有没有新信息，没有的话就等有了才返回给我吧（Request） -loop

从上面可以看出其实这两种方式，都是在不断地建立HTTP连接，然后等待服务端处理，可以体现HTTP协议的另外一个特点，**被动性**。

何为被动性呢，其实就是，服务端不能主动联系客户端，只能有客户端发起。

简单地说就是，服务器是一个很懒的冰箱（这是个梗）（不会、不能主动发起连接），但是上司有命令，如果有客户来，不管多么累都要好好接待。

说完这个，我们再来说一说上面的缺陷（原谅我废话这么多吧OAQ）

从上面很容易看出来，不管怎么样，上面这两种都是非常消耗资源的。

ajax轮询 需要服务器有很快的处理速度和资源。（速度）long poll 需要有很高的并发，也就是说同时接待客户的能力。（场地大小）

所以 `ajax轮询` 和 `long poll` 都有可能发生这种情况。

客户端：啦啦啦啦，有新信息么？

服务端：月线正忙，请稍后再试（503 Server Unavailable）

客户端：。。。。好吧，啦啦啦，有新信息么？

服务端：月线正忙，请稍后再试（503 Server Unavailable）

客户端：

![7c0cf075c7ee4cc6cf52f4572a4c1c10_hd.jpg][]

然后服务端在一旁忙的要死：冰箱，我要更多的冰箱！更多。。更多。。（我错了。。这又是梗。。）

### 言归正传，我们来说Websocket吧 ###

通过上面这个例子，我们可以看出，这两种方式都不是最好的方式，需要很多资源。

一种需要更快的速度，一种需要更多的’电话’。这两种都会导致’电话’的需求越来越高。

哦对了，忘记说了HTTP还是一个状态协议。

通俗的说就是，服务器因为每天要接待太多客户了，是个**健忘鬼**，你一挂电话，他就把你的东西全忘光了，把你的东西全丢掉了。你第二次还得再告诉服务器一遍。

所以在这种情况下出现了，Websocket出现了。他解决了HTTP的这几个难题。

首先，**被动性**，当服务器完成协议升级后（HTTP->Websocket），服务端就可以主动推送信息给客户端啦。所以上面的情景可以做如下修改。

客户端：啦啦啦，我要建立Websocket协议，需要的服务：chat，Websocket协议版本：17（HTTP Request）

服务端：ok，确认，已升级为Websocket协议（HTTP Protocols Switched）

客户端：麻烦你有信息的时候推送给我噢。。

服务端：ok，有的时候会告诉你的。

服务端：balabalabalabala

服务端：哈哈哈哈哈啊哈哈哈哈

服务端：笑死我了哈哈哈哈哈哈哈

就变成了这样，**只需要经过一次HTTP请求**，**就可以做到源源不断的信息传送了**。（在程序设计中，这种设计叫做回调，即：你有信息了再来通知我，而不是我傻乎乎的每次跑来问你 ）

这样的协议解决了上面同步有延迟，而且还非常消耗资源的这种情况。那么为什么他会解决服务器上消耗资源的问题呢？

其实我们所用的程序是要经过两层代理的，即**HTTP协议在Nginx等服务器的解析下，然后再传送给相应的Handler（PHP等）来处理**。简单地说，我们有一个非常快速的 `接线员（Nginx）` ，他负责把问题转交给相应的 `客服（Handler）` 。

本身接线员基本上速度是足够的，但是每次都卡在客服（Handler）了，老有客服处理速度太慢。，导致客服不够。

Websocket就解决了这样一个难题，建立后，可以直接跟接线员建立**持久连接**，有信息的时候客服想办法通知接线员，然后接线员在统一转交给客户。

这样就可以解决客服处理速度过慢的问题了。

同时，在传统的方式上，要不断的建立，关闭HTTP协议，由于HTTP是非状态性的，**每次都要重新传输 `identity info` （鉴别信息）**，来告诉服务端你是谁。

虽然接线员很快速，但是每次都要听这么一堆，效率也会有所下降的，同时还得不断把这些信息转交给客服，不但浪费客服的**处理时间**，而且还会在网路传输中消耗过多的**流量/时间**。

但是Websocket只需要**一次HTTP握手，所以说整个通讯过程是建立在一次连接/状态中**，也就避免了HTTP的非状态性，服务端会一直知道你的信息，直到你关闭请求，这样就解决了接线员要反复解析HTTP协议，还要查看identity info的信息。

同时由**客户主动询问**，转换为**服务器（推送）有信息的时候就发送（当然客户端还是等主动发送信息过来的。。）**，没有信息的时候就交给接线员（Nginx），不需要占用本身速度就慢的**客服（Handler）了**

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至于怎么在不支持Websocket的客户端上使用Websocket。。答案是： **不能**

但是可以通过上面说的 `long poll` 和 `ajax 轮询` 来 模拟出类似的效果

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内容转载自知乎：http://www.zhihu.com/question/20215561

转载于:https://www.cnblogs.com/zhaosq/p/10854974.html

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