万字长文，一篇吃透WebSocket：概念、原理、易错常识、动手实践

本文由作者“阿宝哥”分享，原题“你不知道的 WebSocket”，有修订和改动。

1、引言

本文将从基本概念、技术原理、常见易错常识、动手实践等多个方面入手，万字长文，带你一起全方位探索 WebSocket 技术。

阅读完本文，你将了解以下内容：

1）了解 WebSocket 的诞生背景、WebSocket 是什么及它的优点；
2）了解 WebSocket 含有哪些 API 及如何使用 WebSocket API 发送普通文本和二进制数据；
3）了解 WebSocket 的握手协议和数据帧格式、掩码算法等相关知识；
4）了解 WebSocket 与http、长轮询、socket等的关系，理清常识性的理解错误；
5）了解如何实现一个支持发送普通文本的 WebSocket 服务器。

学习交流：

即时通讯/推送技术开发交流5群：215477170 [推荐]
移动端IM开发入门文章：《新手入门一篇就够：从零开发移动端IM》
开源IM框架源码：https://github.com/JackJiang2...

（本文同步发布于：http://www.52im.net/thread-37...）

2、关于作者

作者网名：阿宝哥
个人博客：http://www.semlinker.com/
作者Github：https://github.com/semlinker/

3、什么是 WebSocket

3.1 WebSocket 诞生背景
早期，很多网站为了实现推送技术，所用的技术都是轮询（也叫短轮询）。轮询是指由浏览器每隔一段时间向服务器发出 HTTP 请求，然后服务器返回最新的数据给客户端。

常见的轮询方式分为轮询与长轮询，它们的区别如下图所示：

为了更加直观感受轮询与长轮询之间的区别，我们来看一下具体的代码：

这种传统的模式带来很明显的缺点，即浏览器需要不断的向服务器发出请求，然而 HTTP 请求与响应可能会包含较长的头部，其中真正有效的数据可能只是很小的一部分，所以这样会消耗很多带宽资源。

PS：关于短轮询、长轮询技术的前世今身，可以详细读这两篇：《新手入门贴：史上最全Web端即时通讯技术原理详解》、《Web端即时通讯技术盘点：短轮询、Comet、Websocket、SSE》。

比较新的轮询技术是 Comet。这种技术虽然可以实现双向通信，但仍然需要反复发出请求。而且在 Comet 中普遍采用的 HTTP 长连接也会消耗服务器资源。

在这种情况下，HTML5 定义了 WebSocket 协议，能更好的节省服务器资源和带宽，并且能够更实时地进行通讯。

Websocket 使用 ws 或 wss 的统一资源标志符（URI），其中 wss 表示使用了 TLS 的 Websocket。

如：

ws://echo.websocket.org
wss://echo.websocket.org

WebSocket 与 HTTP 和 HTTPS 使用相同的 TCP 端口，可以绕过大多数防火墙的限制。

默认情况下：

1）WebSocket 协议使用 80 端口；
2）若运行在 TLS 之上时，默认使用 443 端口。

3.2 WebSocket 简介
WebSocket 是一种网络传输协议，可在单个 TCP 连接上进行全双工通信，位于 OSI 模型的应用层。WebSocket 协议在 2011 年由 IETF 标准化为 RFC 6455，后由 RFC 7936 补充规范。

WebSocket 使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。在 WebSocket API 中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。

介绍完轮询和 WebSocket 的相关内容之后，接下来用一张图看一下 XHR Polling（短轮询）与 WebSocket 之间的区别。

XHR Polling与 WebSocket 之间的区别如下图所示：

3.3 WebSocket 优点
普遍认为，WebSocket的优点有如下几点：

1）较少的控制开销：在连接创建后，服务器和客户端之间交换数据时，用于协议控制的数据包头部相对较小；
2）更强的实时性：由于协议是全双工的，所以服务器可以随时主动给客户端下发数据。相对于 HTTP 请求需要等待客户端发起请求服务端才能响应，延迟明显更少；
3）保持连接状态：与 HTTP 不同的是，WebSocket 需要先创建连接，这就使得其成为一种有状态的协议，之后通信时可以省略部分状态信息；
4）更好的二进制支持：WebSocket 定义了二进制帧，相对 HTTP，可以更轻松地处理二进制内容；
5）可以支持扩展：WebSocket 定义了扩展，用户可以扩展协议、实现部分自定义的子协议。

由于 WebSocket 拥有上述的优点，所以它被广泛地应用在即时通讯/IM、实时音视频、在线教育和游戏等领域。

对于前端开发者来说，要想使用 WebSocket 提供的强大能力，就必须先掌握 WebSocket API，下面带大家一起来认识一下 WebSocket API。

PS：如果你想要更浅显的WebSocket入门教程，可以先读这篇《新手快速入门：WebSocket简明教程》后，再回来继续学习。

4、WebSocket API 学习

4.1 基本情况
在介绍 WebSocket API 之前，我们先来了解一下它的兼容性：

（图片引用自：https://caniuse.com/#search=W...）

由上图可知：目前主流的 Web 浏览器都支持 WebSocket，所以我们可以在大多数项目中放心地使用它。

在浏览器中要使用 WebSocket 提供的能力，我们就必须先创建 WebSocket 对象，该对象提供了用于创建和管理 WebSocket 连接，以及可以通过该连接发送和接收数据的 API。

使用 WebSocket 构造函数，我们就能轻易地构造一个 WebSocket 对象。

接下来我们将从以下四个方面来介绍 WebSocket API：

1）WebSocket 构造函数；
2）WebSocket 对象的属性；
3）WebSocket 的方法；
4）WebSocket 事件。

接下来我们从 WebSocket 的构造函数入手开始学习。

PS：如果你想要更浅显的WebSocket入门教程，可以先读这篇《新手快速入门：WebSocket简明教程》后，再回来继续学习。

4.2 构造函数
WebSocket 构造函数的语法为：

const myWebSocket = newWebSocket(url [, protocols]);

相关参数说明如下：

1）url：表示连接的 URL，这是 WebSocket 服务器将响应的 URL；
2）protocols（可选）：一个协议字符串或者一个包含协议字符串的数组。

针对第2）点：这些字符串用于指定子协议，这样单个服务器可以实现多个 WebSocket 子协议。

比如：你可能希望一台服务器能够根据指定的协议（protocol）处理不同类型的交互。如果不指定协议字符串，则假定为空字符串。

使用WebSocket 构造函数时，当尝试连接的端口被阻止时，会抛出 SECURITY_ERR 异常。

PS：有关WebSocket构造函数的更详细说明，可以参见官方API文档。

4.3 属性
WebSocket 对象包含以下属性：

每个属性的具体含义如下：

1）binaryType：使用二进制的数据类型连接；
2）bufferedAmount（只读）：未发送至服务器的字节数；
3）extensions（只读）：服务器选择的扩展；
4）onclose：用于指定连接关闭后的回调函数；
5）onerror：用于指定连接失败后的回调函数；
6）onmessage：用于指定当从服务器接受到信息时的回调函数；
7）onopen：用于指定连接成功后的回调函数；
8）protocol（只读）：用于返回服务器端选中的子协议的名字；
9）readyState（只读）：返回当前 WebSocket 的连接状态，共有 4 种状态：

- CONNECTING — 正在连接中，对应的值为 0；
- OPEN — 已经连接并且可以通讯，对应的值为 1；
- CLOSING — 连接正在关闭，对应的值为 2；
- CLOSED — 连接已关闭或者没有连接成功，对应的值为 3

10）url（只读）：返回值为当构造函数创建 WebSocket 实例对象时 URL 的绝对路径。

4.4 方法
WebSocket 主要方法有两个：

1）close([code[, reason]])：该方法用于关闭 WebSocket 连接，如果连接已经关闭，则此方法不执行任何操作；
2）send(data)：该方法将需要通过 WebSocket 链接传输至服务器的数据排入队列，并根据所需要传输的数据的大小来增加 bufferedAmount 的值。若数据无法传输（比如数据需要缓存而缓冲区已满）时，套接字会自行关闭。

4.5 事件
使用 addEventListener() 或将一个事件监听器赋值给 WebSocket 对象的oneventname 属性，来监听下面的事件。

以下是几个事件：

1）close：当一个 WebSocket 连接被关闭时触发，也可以通过 onclose 属性来设置；
2）error：当一个 WebSocket 连接因错误而关闭时触发，也可以通过 onerror 属性来设置；
3）message：当通过 WebSocket 收到数据时触发，也可以通过 onmessage 属性来设置；
4）open：当一个 WebSocket 连接成功时触发，也可以通过 onopen 属性来设置。

介绍完 WebSocket API，我们来举一个使用 WebSocket 发送普通文本的示例。

4.6 代码实践：发送普通文本

在以上示例中：我们在页面上创建了两个 textarea，分别用于存放待发送的数据和服务器返回的数据。当用户输入完待发送的文本之后，点击发送按钮时会把输入的文本发送到服务端，而服务端成功接收到消息之后，会把收到的消息原封不动地回传到客户端。

// const socket = new WebSocket("ws://echo.websocket.org");
// const sendMsgContainer = document.querySelector("#sendMessage");
引用
function send() {
const message = sendMsgContainer.value;
引用
if(socket.readyState !== WebSocket.OPEN) {
console.log("连接未建立，还不能发送消息");
引用
return;
引用
}
引用
if(message) socket.send(message);
引用
}
引用
当然客户端接收到服务端返回的消息之后，会把对应的文本内容保存到接收的数据对应的 textarea 文本框中。
引用
// const socket = new WebSocket("ws://echo.websocket.org");
引用
// const receivedMsgContainer = document.querySelector("#receivedMessage");
引用
socket.addEventListener("message", function(event) {
console.log("Message from server ", event.data);
引用
receivedMsgContainer.value = event.data;
引用
});