websocket

websocket在什么背景下诞生？

短轮询(Polling)

短轮询(Polling)的实现思路就是浏览器端每隔几秒钟向服务器端发送http请求，服务端在收到请求后，不论是否有数据更新，都直接进行响应。在服务端响应完成，就会关闭这个Tcp连接，如下图所示：

示例代码实现如下：

function Polling() {
    fetch(url).then(data => {
        // somthing
    }).catch(err => {
        console.log(err);
    });
}
setInterval(polling, 5000);

• 优点：可以看到实现非常简单，它的兼容性也比较好的只要支持http协议就可以用这种方式实现。
• 缺点：但是它的缺点也很明显就是非常的消耗资源，因为建立Tcp连接是非常消耗资源的，服务端响应完成就会关闭这个Tcp连接，下一次请求再次建立Tcp连接。

长轮询（Long-Polling）

客户端发送请求后服务器端不会立即返回数据，服务器端会阻塞请求连接不会立即断开，直到服务器端有数据更新或者是连接超时才返回，客户端才再次发出请求新建连接、如此反复从而获取最新数据。大致效果如下：

客户端的代码如下：

function LongPolling() {
    fetch(url).then(data => {
        LongPolling();
    }).catch(err => {
        LongPolling();
        console.log(err);
    });
}
LongPolling();

• 优点： 长轮询和短轮询比起来，明显减少了很多不必要的http请求次数，相比之下节约了资源。
• 缺点：连接挂起也会导致资源的浪费。

WebSocket

WebSocket是一种协议，是一种与HTTP 同等的网络协议，两者都是应用层协议，都基于 TCP 协议。但是 WebSocket 是一种双向通信协议，在建立连接之后，WebSocket 的 server 与 client 都能主动向对方发送或接收数据。同时，WebSocket在建立连接时需要借助 HTTP 协议，连接建立好了之后 client 与 server 之间的双向通信就与 HTTP 无关了。

相比于短轮询、长轮询的每次“请求-应答”都要client 与 server 建立连接的模式，WebSocket 是一种长连接的模式。就是一旦WebSocket 连接建立后，除非client 或者 server 中有一端主动断开连接，否则每次数据传输之前都不需要HTTP 那样请求数据。

另外，短轮询、长轮询服务端都是被动的响应，属于单工通信。而websocket客户端、服务端都能主动的向对方发送消息，属于全双工通信。

WebSocket 对象提供了一组 API，用于创建和管理 WebSocket 连接，以及通过连接发送和接收数据。浏览器提供的WebSocket API很简洁，调用示例如下：

var ws = new WebSocket('wss://example.com/socket'); // 创建安全WebSocket 连接（wss）
ws.onerror = function (error) { ... } // 错误处理
ws.onclose = function () { ... } // 关闭时调用
ws.onopen = function () { ws.send("Connection established. Hello server!");} // 连接建立时调用向服务端发送消息
ws.onmessage = function(msg) {  ... }// 接收服务端发送的消息复制代码

HTTP、WebSocket 等应用层协议，都是基于 TCP 协议来传输数据的。我们可以把这些高级协议理解成对 TCP 的封装。既然大家都使用 TCP 协议，那么大家的连接和断开，都要遵循 TCP 协议中的三次握手和四次握手 ，只是在连接之后发送的内容不同，或者是断开的时间不同。对于 WebSocket 来说，它必须依赖 HTTP 协议进行一次握手 ，握手成功后，数据就直接从 TCP 通道传输，与 HTTP 无关了。

websocket是怎样握手的？

• 浏览器、服务器建立TCP连接，三次握手。这是通信的基础，传输控制层，若失败后续都不执行。
• TCP连接成功后，浏览器通过HTTP协议向服务器发送带有Upgrade头的HTTP Request消息
  
  Connection：HTTP1.1中规定Upgrade只能应用在直接连接中。带有Upgrade头的HTTP1.1消息必须含有Connection头，因为Connection头的意义就是，任何接收到此消息的人（往往是代理服务器）都要在转发此消息之前处理掉Connection中指定的域（即不转发Upgrade域）。
  Upgrade是HTTP1.1中用于定义转换协议的header域。 如果服务器支持的话，客户端希望使用已经建立好的HTTP（TCP）连接，切换到WebSocket协议。
  Sec-WebSocket-Key是一个Base64encode的值，这个是客户端随机生成的，用于服务端的验证，服务器会使用此字段组装成另一个key值放在握手返回信息里发送客户端。
  Sec-WebSocket-Version标识了客户端支持的WebSocket协议的版本列表。
  Sec-WebSocket-Extensions是客户端用来与服务端协商扩展协议的字段，permessage-deflate表示协商是否使用传输数据压缩，client_max_window_bits表示采用LZ77压缩算法时，滑动窗口相关的SIZE大小。
  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，标识了客户端支持的子协议的列表。

• 服务器收到客户端的握手请求后，同样采用HTTP协议回馈。
  
  HTTP的版本为HTTP1.1，返回码是101，表示升级到websocket协议
  Connection字段，包含Upgrade
  Upgrade字段，包含websocket
  Sec-WebSocket-Accept字段，详细介绍一下：

  Sec-WebSocket-Accept字段生成步骤：

  1. 将Sec-WebSocket-Key与协议中已定义的一个GUID “258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”进行拼接。
  2. 将步骤1中生成的字符串进行SHA1编码。
  3. 将步骤2中生成的字符串进行Base64编码。

  客户端通过验证服务端返回的Sec-WebSocket-Accept的值, 来确定两件事情:

  1. 服务端是否理解WebSocket协议, 如果服务端不理解,那么它就不会返回正确的Sec-WebSocket-Accept，则建立WebSocket连接失败。
  2. 服务端返回的Response是对于客户端的此次请求的,而不是之前的缓存。 主要是防止有些缓存服务器返回缓存的Response.

• 至此，握手过程就完成了，此时的TCP连接不会释放。客户端和服务端可以互相通信了。

websocket如何身份认证？

大体上Websocket的身份认证都是发生在握手阶段，通过请求中的内容来认证。一个常见的例子是在url中附带参数。

new WebSocket("ws://localhost:3000?token=xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx");

淘宝的直播弹幕也是用这种方式做的身份认证。另外，websocket是采用http协议握手的，可以用请求中携带cookie的方式做身份认证。

以npm的ws模块实现为例，其创建Websocket服务器时提供了verifyClient方法。

const wss = new WebSocket.Server({
  host: SystemConfig.WEBSOCKET_server_host,
  port: SystemConfig.WEBSOCKET_server_port,
  // 验证token识别身份
  verifyClient: (info) => {
    const token = url.parse(info.req.url, true).query.token
    let user
    console.log('[verifyClient] start validate')
    // 如果token过期会爆TokenExpiredError
    if (token) {
      try {
        user = jwt.verify(token, publicKey)
        console.log(`[verifyClient] user ${user.name} logined`)
      } catch (e) {
        console.log('[verifyClient] token expired')
        return false
      }
    }
    // verify token and parse user object
    if (user) {
      info.req.user = user
      return true
    } else {
      info.req.user = {
        name: `游客${parseInt(Math.random() * 1000000)}`,
        mail: ''
      }
      return true
    }
  }
})

相关的ws源码位于ws/websocket-server

 // ...
  if (this.options.verifyClient) {
    const info = {
      origin: req.headers[`${version === 8 ? 'sec-websocket-origin' : 'origin'}`],
      secure: !!(req.connection.authorized || req.connection.encrypted),
      req
    };

    if (this.options.verifyClient.length === 2) {
      this.options.verifyClient(info, (verified, code, message) => {
        if (!verified) return abortHandshake(socket, code || 401, message);
        this.completeUpgrade(extensions, req, socket, head, cb);
      });
      return;
    }

    if (!this.options.verifyClient(info)) return abortHandshake(socket, 401);
  }
  this.completeUpgrade(extensions, req, socket, head, cb);
}

websocket如何断开重连？

websocket如何处理高并发？

参考：深入浅出Websocket（一）Websocket协议