一篇文章彻底搞懂websocket协议的原理与应用（一）
注：本文转自知乎https://zhuanlan.zhihu.com/p/581974844
前言
WebSocket协议是基于TCP的一种新的网络协议。它实现了浏览器与服务器全双工(full-duplex)通信——允许服务器主动发送信息给客户端。
WebSocket通信协议于2011年被IETF定为标准RFC 6455，并被RFC7936所补充规范。
一、WebSocket简介
webSocket是什么:
1、WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议
2、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
3、在WebSocket API中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输
4、需要安装第三方包：cmd中：go get -u -v github.com/gorilla/websocket
WebSocket 是一种标准协议，用于在客户端和服务端之间进行双向数据传输。但它跟 HTTP 没什么关系，它是一种基于 TCP 的一种独立实现。
以前客户端想知道服务端的处理进度，要不停地使用 Ajax 进行轮询，让浏览器隔个几秒就向服务器发一次请求，这对服务器压力较高。另外一种轮询就是采用 long poll 的方式，这就跟打电话差不多，没收到消息就一直不挂电话，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，连接阶段一直是阻塞的。
而 WebSocket 解决了 HTTP 的这几个难题。首先，当服务器完成协议升级后（ HTTP -> WebSocket ），服务端可以主动推送信息给客户端，解决了轮询造成的同步延迟问题。由于 WebSocket 只需要一次 HTTP 握手，服务端就能一直与客户端保持通讯，直到关闭连接，这样就解决了服务器需要反复解析 HTTP 协议，减少了资源的开销。
WebSocket协议支持（在受控环境中运行不受信任的代码的）客户端与（选择加入该代码的通信的）远程主机之间进行全双工通信。用于此的安全模型是Web浏览器常用的基于原始的安全模式。 协议包括一个开放的握手以及随后的TCP层上的消息帧。 该技术的目标是为基于浏览器的、需要和服务器进行双向通信的（服务器不能依赖于打开多个HTTP连接（例如，使用XMLHttpRequest或和长轮询））应用程序提供一种通信机制。
websocket 是一个基于应用层的网络协议，建立在tcp 协议之上，和 http 协议可以说是兄弟的关系，但是这个兄弟有点依赖 http ，为什么这么说呢？我们都知道 HTTP 实现了三次握手来建立通信连接，实际上 websocket 的创始人很聪明，他不想重复的去造轮子，反正我兄弟已经实现了握手了，我干嘛还要重写一套呢？先让它去冲锋陷阵呢，我坐收渔翁之利不是更香 吗，所以一般来说，我们会先用 HTTP 先进行三次握手，再向服务器请求升级为websocket 协议，这就好比说，嘿兄弟你先去给我排个队占个坑位建个小房子，到时候我在把这房子改造成摩天大楼。而且一般来说 80 和 443 端口一般 web 服务端都会外放出去，这样可以有效的避免防火墙的限制。当然，你创建的 websocket 服务端进程的端口也需要外放出去。
很多人会想问，web开发 使用 HTTP 协议不是已经差不多够用了吗？为什么还要我再多学一种呢？这不是搞事情嘛，仔细想想，一门新技术的产生必然有原因的，如果没有需求，我们干嘛那么蛋疼去写那么多东西，就是因为 HTTP 这个协议有些业务需求支持太过于鸡肋了，从 HTTP 0.9 到现在的 HTTP3.0 ，HTTP协议可以说说是在普通的web开发领域已经是十分完善且高效的了，说这个协议养活了全球半数的公司也不为过吧，像 2.0 服务器推送技术，3.0 采用了 UDP 而放弃了原来的 TCP ,这些改动都是为了进一步提升协议的性能，然而大家现在还是基本使用的 HTTP 1.1 这个最为经典的协议, 也是让开发者挺尴尬的。
绝大多数的web开发都是应用层开发者,大多数都是基于已有的应用层去开发应用，可以说我们最熟悉、日常打交道最多的就是应用层协议了，底下 TCP/IP 协议我们基本很少会去处理，当然大厂可能就不一样了，自己弄一套协议也是正常的，这大概也是程序员和码农的区别吧，搬砖还是创新，差别还是很大的。网络这种分层协议的好处我在之前的文章也说过了，这种隔离性很方便就可以让我们基于原来的基础去拓展，具有较好的兼容性。
总的来说，它就是一种依赖HTTP协议的，支持全双工通信的一种应用层网络协议。
二、WebSocket产生背景
简单的说，WebSocket协议之前，双工通信是通过多个http链接来实现，这导致了效率低下。WebSocket解决了这个问题。下面是标准RFC6455中的产生背景概述。
长久以来, 创建实现客户端和用户端之间双工通讯的web app都会造成HTTP轮询的滥用: 客户端向主机不断发送不同的HTTP呼叫来进行询问。
这会导致一系列的问题：
- 1.服务器被迫为每个客户端使用许多不同的底层TCP连接：一个用于向客户端发送信息，其它用于接收每个传入消息。
- 2.有些协议有很高的开销，每一个客户端和服务器之间都有HTTP头。
- 3.客户端脚本被迫维护从传出连接到传入连接的映射来追踪回复。
一个更简单的解决方案是使用单个TCP连接双向通信。 这就是WebSocket协议所提供的功能。 结合WebSocket API ，WebSocket协议提供了一个用来替代HTTP轮询实现网页到远程主机的双向通信的方法。
WebSocket协议被设计来取代用HTTP作为传输层的双向通讯技术,这些技术只能牺牲效率和可依赖性其中一方来提高另一方，因为HTTP最初的目的不是为了双向通讯。
三、WebSocket实现原理
在实现websocket连线过程中，需要通过浏览器发出websocket连线请求，然后服务器发出回应，这个过程通常称为“握手” 。在 WebSocket API，浏览器和服务器只需要做一个握手的动作，然后，浏览器和服务器之间就形成了一条快速通道。两者之间就直接可以数据互相传送。在此WebSocket 协议中，为我们实现即时服务带来了两大好处：
1. Header：互相沟通的Header是很小的-大概只有 2 Bytes。
2. Server Push：服务器的推送，服务器不再被动的接收到浏览器的请求之后才返回数据，而是在有新数据时就主动推送给浏览器。
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四、WebSocket协议举例
浏览器请求:
- GET /webfin/websocket/ HTTP/1.1。
- Host: localhost。
- Upgrade: websocket。
- Connection: Upgrade。
- Sec-WebSocket-Key: xqBt3ImNzJbYqRINxEFlkg==。
- Origin: http://服务器地址。
- Sec-WebSocket-Version: 13。
服务器回应:
- HTTP/1.1 101 Switching Protocols。
- Upgrade: websocket。
- Connection: Upgrade。
- Sec-WebSocket-Accept: K7DJLdLooIwIG/MOpvWFB3y3FE8=。
- WebSocket借用http请求进行握手，相比正常的http请求，多了一些内容。其中：
- Upgrade: websocket。
- Connection: Upgrade。
- 表示希望将http协议升级到Websocket协议。Sec-WebSocket-Key是浏览器随机生成的base64 encode的值，用来询问服务器是否是支持WebSocket。
服务器返回:
- Upgrade: websocket。
- Connection: Upgrade。
- 告诉浏览器即将升级的是Websocket协议
Sec-WebSocket-Accept是将请求包“Sec-WebSocket-Key”的值，与”258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11″这个字符串进行拼接，然后对拼接后的字符串进行sha-1运算，再进行base64编码得到的。用来说明自己是WebSocket助理服务器。
Sec-WebSocket-Version是WebSocket协议版本号。RFC6455要求使用的版本是13，之前草案的版本均应当被弃用。
五、WebSocket使用
1.WebSocket 介绍
WebSocket 发起单个请求，服务端不需要等待客服端，客户端在任何时候也能发消息到服务端，减少了轮询时候的延迟.经历一次连接后，服务器能给客户端发多次。下图是轮询与WebSocket的区别。
基于http的实时消息是相当的复杂，在无状态的请求中维持回话的状态增加了复杂度，跨域也很麻烦，使用ajax处理请求有序请求需要考虑更多。通过ajax进行交流也不简单。每一个延伸http功能的目的不是增加他的复杂度。websocket 可以大大简化实时通信应用中的链接。
Websocket是一种底层网络协议，可以让你在这个基础上建立别的标准协议。比如在WebSocket的客户端的基础上使用XMPP登录不同的聊天服务器，因为所有的XMPP服务理解相同的标准协议。WebSocket是web应用的一种创新。
为了与其他平台竞争，WebSocket是H5应用提供的一部分先进功能。每个操作系统都需要网络功能，能够让应用使用Sockets与别的主机进行通信，是每个大平台的核心功能。在很多方面，让Web应用表现的像操作系统平台是html5的趋势。像socket这样底层的网络协议APIs不会符合原始的安全模型，也不会有web api那样的设计风格。WebSocket给H5应用提供TCP的方式不会消弱网络安全且有现代的Api。
WebSocket是Html5平台的一个重要组件也是开发者强有力的工具。简单的说，你需要WebSocket创建世界级的web应用。它弥补了http不适合实时通信的重大缺陷。异步、双向通信模式，通过传输层协议使WebSocket具有普遍灵活性。想象一下你能用WebSocket创建正真实实时应用的所有方式。比如聊天、协作文档编辑、大规模多人在线游戏（MMO）,股票交易应用等等。
WebSocket是一个协议，但也有一个WebSocket API，这让你的应用去控制WebSocket的协议去响应被服务端触发的事件。API是W3C开发，协议是IETE制定。现代浏览器支持WebSocket API，这包括使用全双工和双向链接的方法和特性。让你执行像打开关闭链接、发送接收消息、监听服务端事件等必要操作。
2.WebSocket API
WebSocket API其实就是一个使用WebSocket协议的接口，通过它来建立全双工通道来收发消息，简单易学，要连接远程服务器，只需要创建一个WebSocket对象实体，并传入一个服务端的URL。在客户端和服务端一开始握手的期间，http协议升级到WebSocket协议就建立了连接，底层都是TCP协议。一旦建立连接，通过WebSocket接口可以反复的发送消息。在你的代码里面，你可以使用异步事件监听连接生命周期的每个阶段。
WebSocket API是纯事件驱动，一旦建立全双工连接，当服务端给客户端发送数据或者资源，它能自动发送状态改变的数据和通知。所以你不需要为了状态的更新而去轮训Server，在客户端监听即可。
首先，我们需要通过调用WebSocket构造函数来创建一个WebSocket连接，构造函数会返回一个WebSocket实例，可以用来监听事件。这些事件会告诉你什么时候连接建立，什么时候消息到达，什么时候连接关闭了，以及什么时候发生了错误。WebSocket协议定义了两种URL方案，WS和WSS分别代表了客户端和服务端之间未加密和加密的通信。WS(WebSocket)类似于Http URL，而WSS（WebSocket Security）URL 表示连接是基于安全传输层（TLS/SSL）和https的连接是同样的安全机制。
WebSocket的构造函数需要一个URL参数和一个可选的协议参数（一个或者多个协议的名字），协议的参数例如XMPP（Extensible Messaging and Presence Protocol）、SOAP（Simple Object Access Protocol）或者自定义协议。而URL参数需要以WS://或者WSS://开头，例如：ws://http://www.websocket.org，如果URL有语法错误，构造函数会抛出异常。
// Create new WebSocket connection
var ws = new WebSocket("ws://www.websocket.org");
//测试了下链接不上。
第二个参数是协议名称，是可选的，服务端和客服端使用的协议必须一致，这样收发消息彼此才能理解，你可以定义一个或多个客户端使用的协议，服务端会选择一个来使用，一个客服端和一个服务端之间只能有一个协议。当然都得基于WebSocket，WebSocket的重大好处之一就是基于WebSocket协议的广泛使用，让你的Web能够拥有传统桌面程序那样的能力。
言归正传，我们回到构造函数，在第一次握手之后，和协议的名称一起，客户端会发送一个Sec-WebSocket-Protocol 头，服务端会选择0个或一个协议，响应会带上同样的Sec-WebSocket-Protocol 头，否则会关闭连接。通过协议协商（Protocol negotiation ），我们可以知道给定的WebSocket服务器所支持的协议和版本，然后应用选择协议使用。
// Connecting to the server with one protocol called myProtocol
var ws = new WebSocket("ws://echo.websocket.org", "myProtocol");
//myProtocol 是假设的一个定义好的且符合标准的协议。你可以传递一个协议的数组。
var echoSocket = new WebSocket("ws://echo.websocket.org", ["com.kaazing.echo","example.imaginary.protocol"])
//服务端会选择其中一个使用
echoSocket.onopen = function(e) {
// Check the protocol chosen by the server
console.log(echoSocket.protocol);
}输出：com.kaazing.ech
协议这个参数有三种。
1.注册协议：根据RFC6455（WebSocket 协议）和IANA被官方注册的标准协议。例如 微软的SOAP。
看到两个华为的：
2.开放协议：被广泛使用的标注协议，例如XMPP和STOMP。但没有被正式注册。
3.自定义协议：自己编写和使用的WebSocket的协议。
协议会再后续章节给出详细介绍，下面先看事件、对象和方法以及实例。
3.WebSocket事件
WebSocket API是纯事件驱动，通过监听事件可以处理到来的数据和改变的链接状态。客户端不需要为了更新数据而轮训服务器。服务端发送数据后，消息和事件会异步到达。WebSocket编程遵循一个异步编程模型，只需要对WebSocket对象增加回调函数就可以监听事件。你也可以使用addEventListener()方法来监听。而一个WebSocket对象分四类不同事件。
1.open
一旦服务端响应WebSocket连接请求，就会触发open事件。响应的回调函数称为onopen。
// Event handler for the WebSocket connection opening
ws.onopen = function(e) {
console.log("Connection open...");
};open事件触发的时候，意味着协议握手结束，WebSocket已经准备好收发数据。如果你的应用收到open事件，就可以确定服务端已经处理了建立连接的请求，且同意和你的应用通信。
2.Message
当消息被接受会触发消息事件，响应的回调函数叫做onmessage。如下：
// 接受文本消息的事件处理实例：
ws.onmessage = function(e) {
if(typeof e.data === "string"){
console.log("String message received", e, e.data);
} else {
console.log("Other message received", e, e.data);
}
};除了文本消息，WebSocket消息机制还能处理二进制数据，有Blob和ArrayBuffer两种类型，在读取到数据之前需要决定好数据的类型。
// 设置二进制数据类型为blob（默认类型）
ws.binaryType = "blob";
// Event handler for receiving Blob messages
ws.onmessage = function(e) {
if(e.data instanceof Blob){
console.log("Blob message received", e.data);
var blob = new Blob(e.data);
}
};//ArrayBuffer
ws.binaryType = "arraybuffer";
ws.onmessage = function(e) {
if(e.data instanceof ArrayBuffer){
console.log("ArrayBuffer Message Received", + e.data);
// e.data即ArrayBuffer类型
var a = new Uint8Array(e.data);
}
};3.Error
如果发生意外的失败会触发error事件，相应的函数称为onerror,错误会导致连接关闭。如果你收到一个错误事件，那么你很快会收到一个关闭事件，在关闭事件中也许会告诉你错误的原因。而对错误事件的处理比较适合做重连的逻辑。
//异常处理
ws.onerror = function(e) {
console.log("WebSocket Error: " , e);
//Custom function for handling errors
handleErrors(e);
};4.Close
不言而喻，当连接关闭的时候回触发这个事件，对应onclose方法，连接关闭之后，服务端和客户端就不能再收发消息。
WebSocket的规范其实还定义了ping和pong 架构（frames），可以用来做keep-alive，心跳，网络状态查询，latency instrumentation（延迟仪表？），但是目前 WebSocket API还没有公布这些特性，尽管浏览器支持了ping，但不会触发ping事件，相反，浏览器会自动响应pong，第八章会将更多关于ping和pong的细节。
当然你可以调用close方法断开与服务端的链接来触发onclose事件：
ws.onclose = function(e) {
console.log("Connection closed", e);
};连接失败和成功的关闭握手都会触发关闭事件，WebSocket的对象的readyState属性就代表连接的状态（2代表正在关闭，3代表已经关闭）。关闭事件有三个属性可以用来做异常处理和重获： wasClean,code和reason。wasClean是一个bool值，代表连接是否干净的关闭。 如果是响应服务端的close事件，这个值为true，如果是别的原因，比如因为是底层TCP连接关闭，wasClean为false。code和reason代表关闭连接时服务端发送的状态，这两个属性和给入close方法的code和reason参数是对应的，稍后会描述细节。
4.WebSocket 方法
WebSocket 对象有两个方法：send()和close()。
1.send()
一旦在服务端和客户端建立了全双工的双向连接，可以使用send方法去发送消息。
//发送一个文本消息
ws.send("Hello WebSocket!");当连接是open的时候send()方法传送数据，当连接关闭或获取不到的时候回抛出异常。一个通常的错误是人们喜欢在连接open之前发送消息。如下所示：
// 这将不会工作
var ws = new WebSocket("ws://echo.websocket.org")
ws.send("Initial data");正确的姿势如下，应该等待open事件触发后再发送消息。
var ws = new WebSocket("ws://echo.websocket.org")
ws.onopen = function(e) {
ws.s如果想通过响应别的事件去发送消息，可以检查readyState属性的值为open的时候来实现。
function myEventHandler(data) {
if (ws.readyState === WebSocket.OPEN) {
//open的时候即可发送
ws.send(data);
} else {
// Do something else in this case.
//Possibly ignore the data or enqueue it.
}
}发送二进制数据：
// Send a Blob
var blob = new Blob("blob contents");
ws.send(blob);
// Send an ArrayBuffer
var a = new Uint8Array([8,6,7,5,3,0,9]);
ws.send(a.buffer);Blob对象和JavaScript File API一起使用的时候相当有用，可以发送或接受文件，大部分的多媒体文件，图像，视频和音频文件。这一章末尾会结合File API提供读取文件内容来发送WebSocket消息的实例代码。
2.close()
使用close方法来关闭连接，如果连接以及关闭，这方法将什么也不做。调用close方法只后，将不能发送数据。
ws.close();close方法可以传入两个可选的参数，code（numerical）和reason（string）,以告诉服务端为什么终止连接。第三章讲到关闭握手的时候再详细讨论这两个参数。
// 成功结束会话
ws.close(1000, "Closing normally");
//1000是状态码，代表正常结束。5.WebSocket 属性
WebSocket对象有三个属性，readyState，bufferedAmount和Protocol。
1.readyState
WebSocket对象通过只读属性readyState来传达连接状态，它会更加连接状态自动改变。下表展示了readyState属性的四个不同的值。
了解当前连接的状态有助于我们调试。
2.bufferedAmount
有时候需要检查传输数据的大小，尤其是客户端传输大量数据的时候。虽然send()方法会马上执行，但数据并不是马上传输。浏览器会缓存应用流出的数据，你可以使用bufferedAmount属性检查已经进入队列但还未被传输的数据大小。这个值不包含协议框架、操作系统缓存和网络软件的开销。
下面这个例子展示了如何使用bufferedAmount属性每秒更新发送。如果网络不能处理这个频率，它会自适应。
// 10k
var THRESHOLD = 10240;
//建立连接
var ws = new WebSocket("ws://echo.websocket.org");
// Listen for the opening event
ws.onopen = function () {
setInterval( function() {
//缓存未满的时候发送
if (ws.bufferedAmount < THRESHOLD) {
ws.send(getApplicationState());
}
}, 1000);
};
//使用bufferedAmount属性发送数据可以避免网络饱和。3.protocol
在构造函数中，protocol参数让服务端知道客户端使用的WebSocket协议。而WebSocket对象的这个属性就是指的最终服务端确定下来的协议名称，当服务端没有选择客户端提供的协议或者在连接握手结束之前，这个属性都是空的。
完整实例：
现在我们已经过了一遍WebSocket的构造函数、事件、属性和方法，接下来通过一个完整的实例来学习WebSocket API。实例使用“Echo”服务器：ws://http://echo.websocket.org，它能够接受和返回发过去的数据。这样有助于理解WebSocket API是如何和服务器交互的。
首先，我们先建立连接，让页面展示客户端连接服务端的信息，然后发送、接受消息，最后关闭连接。
Websocket Echo Client
// 初始化连接和事件
function setup() {
output = document.getElementById("output");
ws = new WebSocket("ws://echo.websocket.org/echo");
// 监听open
ws.onopen = function (e) {
log("Connected");
sendMessage("Hello WebSocket!");
}
// 监听close
ws.onclose = function (e) {
log("Disconnected: " + e.reason);
}
//监听errors
ws.onerror = function (e) {
log("Error ");
}
// 监听 messages
ws.onmessage = function (e) {
log("Message received: " + e.data);
//收到消息后关闭
ws.close();
}
}
// 发送消息
function sendMessage(msg) {
ws.send(msg);
log("Message sent");
}
// logging
function log(s) {
var p = document.createElement("p");
p.style.wordWrap = "break-word";
p.textContent = s;
output.appendChild(p);
// Also log information on the javascript console
console.log(s);
}
// Start
setup();
判断浏览器是否支持：
if (window.WebSocket){
console.log("This browser supports WebSocket!");
} else {
console.log("This browser does not support WebSocket.");
}