为什么有HTTP协议，还要有websocket协议

客官°小女子只卖身不卖艺 2023-09-26 10:39 47阅读 0赞

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**】。

**求知，好学，勤奋**，这些刻在你DNA里的东西都动起来了。

你点开后发现。

长相平平无奇的古某提示你"道士9条狗，全服横着走"。

影帝某辉老师跟你说"系兄弟就来砍我"。

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来都来了，你就选了个角色进到了游戏界面里。

![9e578e9a18d85fe0d229a442760ae9c7.jpeg][]

创建角色页面

这时候，上来就是一个小怪，从远处走来，然后疯狂拿木棒子抽你。

**你全程没点任何一次鼠标**。服务器就自动将怪物的移动数据和攻击数据源源不断发给你了。

这….太暖心了。

感动之余，问题就来了，

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？

在真正回答这个问题之前，我们先来聊下一些相关的知识背景。

#### 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**。

![4efdea86b9a6b70e56268b077e38f471.png][]

使用HTTP定时轮询

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。

![40423036cc10e8360889f8baae17dded.png][]

不断轮询查看是否有扫码

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。

#### 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。

![e94193412e4af831e4827ab8e8dded6e.png][]

长轮询

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。

![baf2c34dc0563d1c746789797a11f967.png][]

长轮询的方式来替代

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。

![d7fc6f092278f8c68acf7f56eb417a6a.png][]

RocketMQ的消费者通过长轮询获取数据

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。

#### websocket是什么 ####

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**。

![204a7010866eea5afd10f990dea3a78a.png][]

websocket在四层网络协议中的位置

#### 怎么建立websocket连接 ####

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**。

![fe2aac0be1f30294c725319bcccf7400.png][]

base64转为新的字符串

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。

![613fab16e275fd2a42464077531a1b12.png][]

对比客户端和服务端生成的字符串

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。

![6ebc8fbd24e823b36990c273c7402409.png][]

建立websocket连接.drawio

#### websocket抓包 ####

我们可以用wireshark抓个包，实际看下数据包的情况。

![9ebc63b2807c2952cb6623e85a618a5e.png][]

客户端请求升级为websocket

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。

![6d32dca054934124df77b4cd8b1d6023.png][]

服务器同意升级为websocket协议

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`。

![a6865b197c6fd9e491f3818aaa6ce842.png][]

两次HTTP请求之后正式使用websocket通信

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**。

![828b95066ae5c60fe0c464806d6336ef.png][]

这就有点"**借壳生蛋**"的那意思。

![aee9dfae809f7e73b7e652b61a603d53.png][]

HTTP和websocket的关系

#### 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。

![750992b41aba5373c37345ea9198b287.png][]

websocket报文格式

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`。

![a30e3403461be8b2b80becf5900bbddc.png][]

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。

![bf41936e5bed5aea613605deab214e05.png][]

payload长度在0到125之间

*  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。

![7a3d8f578d58d115b2b484618a3dd770.png][]

payload长度在126到65535之间

*  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。

![ca380277e6672d1b5806b8f39207e4cf.png][]

payload长度大于等于65536的情况

**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。

![1ec6271ed8cac2c9a725bc9281c7cd2e.jpeg][]

之前写的《既然有HTTP协议，为什么还要有RPC》提到过，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。

![0a5bfbd3a6bd03747a923cd306387571.png][]

消息边界长度标志

#### websocket的使用场景 ####

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。

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websocket的使用场景

#### 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。

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