Socket 与 WebSocket

原文http://zengrong.net/post/2199.htm
去年光棍节的时候，我写过一篇 quick-cocos2d-x 中的 socket 技术选择：LuaSocket 和 WebSocket 。这篇文章介绍了我为何决定在项目中使用 LuaSocket 。
现在想起来，当时对 WebSocket 是很感兴趣的，但由于服务端的限制，最终依然选择了 LuaSocket。我后来对 LuaSocket 进行了封装，使其更好用。
现在，面对一个全新的项目，我自然而然地选择了 WebSocket。
因此，我需要了解下面这些问题：
Socket 和 WebSocket 有哪些区别和联系？
WebSocket 和 HTML5 是什么关系？
必须在浏览器中才能使用 WebSocket 吗？
WebSocket 能和 Socket 一样传输 raw 数据么？
WebSocket 和 Socket 相比会多耗费流量么？

但是，目前网上全面介绍这两种协议的中文文章并不多，或者说不够全面。我无法找到一篇文章能解决上面的所有问题。因此，我写了本文，把找到的 Socket 和 WebSocket 的相关资料做一个梳理，以方便理解。
本文并不能直接完整回答上面提出的几个问题，但读完本文，要理解上面的那些问题，是很容易的事。
由于能力有限，本文不可能很长。而且，技术细节并非所有人都愿意仔细了解。本文包含了大量的外部链接，跟随这些链接，可以找到足够多的细节，满足你/我的求知欲。

1. 概述
   选择了 WebSocket 技术之后，不可避免的，我要将它和其他协议以及技术做一下比较。最常见的，就是需要比较 WebSocket 与 HTTP、Socket 技术的异同。
   WebSocket 是为了满足基于 Web 的日益增长的实时通信需求而产生的。在传统的 Web 中，要实现实时通信，通用的方式是采用 HTTP 协议不断发送请求。但这种方式即浪费带宽（HTTP HEAD 是比较大的），又消耗服务器 CPU 占用（没有信息也要接受请求）。（下图来自 WebSocket.org）
   [图片上传中。。。（1）]
   而是用 WebSocket 技术，则会大幅降低上面提到的消耗：（下图来自 websocket.org）
   [图片上传中。。。（2）]
   关于更详细的描述，尹立的这篇文章讲得非常好：WebSocket（2）–为什么引入WebSocket协议 。
   那么，WebSocket 到底与 HTTP 协议到底是一个什么样的关系呢？它和 Socket 又有什么联系？这就要讲到 OSI 模型和 TCP/IP 协议族。
2. OSI 模型与 TCP/IP
   以下是 维基百科 中关于OSI 模型的说明：
   开放式系统互联通信参考模型（英语：Open System Interconnection Reference Model，ISO/IEC 7498-1），简称为OSI模型（OSI model），一种概念模型，由国际标准化组织（ISO）提出，一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架。

而 TCP/IP 协议可以看做是对 OSI 模型的一种简化（以下内容来自 维基百科）：
它将软件通信过程抽象化为四个抽象层，采取协议堆叠的方式，分别实作出不同通信协议。协议套组下的各种协议，依其功能不同，被分别归属到这四个阶层之中7，常被视为是简化的七层OSI模型。

这里有一张图详细介绍了 TCP/IP 协议族中的各个协议在 OSI模型 中的分布，一图胜千言（下图来自 科来）：
[图片上传中。。。（3）]
TCP/IP 协议和 OSI 模型的内容，在互联网上有很多。我没有必要再次介绍它们。在这里，我们只需要知道，HTTP、WebSocket 等协议都是处于 OSI 模型的最高层： 应用层 。而 IP 协议工作在网络层（第3层），TCP 协议工作在传输层（第4层）。
至于 OSI 模型的各个层次都有什么系统和它们对应，这里有篇很好的文章可以满足大家的求知欲：OSI七层模型详解 。

3. WebSocket、HTTP 与 TCP
   从上面的图中可以看出，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。
   更详细内容可阅读：wireshark抓包图解 TCP三次握手/四次挥手详解
   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。
4. Socket 与 WebScoket
   Socket 其实并不是一个协议。它工作在 OSI 模型会话层（第5层），是为了方便大家直接使用更底层协议（一般是 TCP 或 UDP ）而存在的一个抽象层。
   最早的一套 Socket API 是 Berkeley sockets ，采用 C 语言实现。它是 Socket 的事实标准，POSIX sockets 是基于它构建的，多种编程语言都遵循这套 API，在 Java、Python 中都能看到这套 API 的影子。
   下面摘录一段更容易理解的文字（来自 http和socket之长连接和短连接区别）：
   Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

Socket是什么

Socket通信过程

主机 A 的应用程序要能和主机 B 的应用程序通信，必须通过 Socket 建立连接，而建立 Socket 连接必须需要底层 TCP/IP 协议来建立 TCP 连接。建立 TCP 连接需要底层 IP 协议来寻址网络中的主机。我们知道网络层使用的 IP 协议可以帮助我们根据 IP 地址来找到目标主机，但是一台主机上可能运行着多个应用程序，如何才能与指定的应用程序通信就要通过 TCP 或 UPD 的地址也就是端口号来指定。这样就可以通过一个 Socket 实例唯一代表一个主机上的一个应用程序的通信链路了。

而 WebSocket 则不同，它是一个完整的 应用层协议，包含一套标准的 API 。
所以，从使用上来说，WebSocket 更易用，而 Socket 更灵活。

5. HTML5 与 WebSocket
   WebSocket API 是 HTML5 标准的一部分， 但这并不代表 WebSocket 一定要用在 HTML 中，或者只能在基于浏览器的应用程序中使用。
   实际上，许多语言、框架和服务器都提供了 WebSocket 支持，例如：
   基于 C 的 libwebsocket.org
   基于 Node.js 的 Socket.io
   基于 Python 的 ws4py
   基于 C++ 的 WebSocket++
   Apache 对 WebSocket 的支持： Apache Module mod_proxy_wstunnel
   Nginx 对 WebSockets 的支持： NGINX as a WebSockets Proxy 、 NGINX Announces Support for WebSocket Protocol 、WebSocket proxying
   lighttpd 对 WebSocket 的支持：mod_websocket