Websocket及三次握手/四次挥手

Websocket-实时通信

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前言

之前一直听说Websocket，但也一直没有使用过，今天突然又看到了，还挺感兴趣的，可以一起看看

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一、目前可实现实时通信的方式

1、轮询（polling）

原理：浏览器间隔几秒发送一次请求，询问服务器是否有新消息出现，持续
优点：实现简单，大部分浏览器和服务器支持
缺点：频繁的请求和响应会导致不必要的网络开销，降低性能和效率
场景：数据更新频率不高且实时性要求不高的场景

2、长轮询（long polling）

原理：和 ajax 轮询差不多，采取阻塞模式，客户端发起请求，没有没有消息，服务器则不返回，客户端收到响应，立即再次发出请求，形成新的挂起请求，持续
优点：相较于轮询，减少了不必要的网络请求，降低网络开销
缺点：服务器需要维护大量挂起请求，占用资源较多，不适用于高并发场景
场景：数据更新不频繁，但要求实时性相对较高的场景
ajax 和长轮询都是在不断的建立 HTTP 连接，然后等服务端处理（HTTP 特点：被动性）

3、Websocket

原理：WebSocket 是一种全双工通信协议，通过建立持久性的连接，客户端和服务器可以随时发送和接收消息。连接建立后，双方可以直接发送消息，不需要频繁的握手过程
优点：实现实时通信，降低了不必要的网络开销，性能较高，支持跨域通信
缺点：需要服务器和客户端都支持 WebSocket 协议
场景：适用于需要实时通信，如实时聊天，在线游戏，实时数据展示，多人协同编辑

websocket 只需要一次 HTTP 握手，整个过程是建立在一次连接/状态中（避免 HTTP 非状态性）
通过 Websocket 可以构建实时、高效和响应迅速的 web 应用程序

3.1、WebSocket 心跳机制

1. 确保活跃连接：WebSocket是一种双向通信协议，一旦建立连接，服务器和客户端之间可以实时传输数据。但由于网络等原因，长时间没有数据传输可能导致连接的关闭。心跳机制通过定期发送心跳包，即使没有实际数据交互，也能保持连接的活跃状态，防止连接被中断。
2. 确认服务器存活状态：通过心跳机制，客户端可以定期向服务器发送心跳包，并等待服务器的响应。如果一段时间内没有收到服务器的响应，客户端可以判断服务器可能出现了故障或断开连接，并根据情况进行相应的处理，如重新连接服务器。
3. 优化网络资源利用：心跳机制可以定时发送较小的数据包，相较于大量数据传输，心跳包的资源占用较小。这有助于减少网络资源的浪费，并提高数据传输效率。
4. 错误处理与重连：通过心跳机制，客户端可以及时检测到连接断开的情况，并进行错误处理和重连操作。在网络环境不稳定或服务器故障的情况下，心跳机制可以帮助客户端更快地恢复与服务器的连接。
5. 连接状态监控：心跳机制可以用于监控 WebSocket 连接的状态，包括连接建立、断开、异常等状态。这有助于客户端了解连接状态，做出相应的操作。

3.2、WebSocket 工作原理

WebSocket 的工作原理可以分为三个阶段：握手、数据传输和断开连接

握手：客户端发起 WebSocket 连接时，通过向服务器发送一个特殊的 HTTP 请求头来建立连接。服务器检查请求头中的特定字段，确认支持 WebSocket 协议后，发送特殊的 HTTP 响应头进行握手确认。握手成功后，双方建立了 WebSocket 连接，可以进行后续的数据传输。

数据传输：一旦建立了 WebSocket 连接，客户端和服务器可以通过该连接进行双向的实时数据传输。双方可以发送和接收消息，消息以帧的形式进行传输。WebSocket 协议定义了不同类型的帧，如文本帧和二进制帧，用于传输不同类型的数据。

断开连接：当连接不再需要时，客户端或服务器可以发起关闭连接的请求。双方会交换特殊的关闭帧，以协商关闭连接，并确保双方都接收到了关闭请求。

3.3、Websocket 优点

1. 实时性：与传统的 HTTP 请求/响应模式不同，WebSocket 允许实时双向通信，使得服务器能够主动向客户端推送数据，而不需要客户端发起请求。
2. 服务器压力减少：WebSocket 连接保持打开状态，因此服务器不需要为每个请求创建一个新的连接。这可以减轻服务器的负载并提高性能。
3. 与 HTTP 协议良好的兼容性，默认端口也是 80 和 443，握手阶段采用 HTTP 协议
4. 可以发送文本，也可以发送二进制数据。
5. 没有同源限制，客户端可以与任意服务器通信。
6. 协议标识符是 ws（握手 http），如果加密则为 wss（tcp+TLS），服务器网址是 URL。
7. 只需要经过一次 HTTP 请求，就可以一直传送消息（也称为回调）。

3.4、HTTP 和 Websocket 关系

Websocket 是一种新的协议，跟 HTTP 协议基本没关系，为了兼容浏览器的握手规范，也可以说是 HTTP 协议上的一种补充。

二、HTTP 协议-TCP 三次握手、四次挥手

1、TCP 和 TCP 连接

TCP：TCP 是面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

TCP 连接：用于保证可靠性和流量控制维护的某些状态信息，这些信息的组合，包括 Socket、序列号和窗口大小称为连接。

2、HTTP 和 TCP 关系

HTTP（Hypertext Transfer Protocol） 是一种应用层协议，主要负责数据的传输和格式化。它的主要功能是规范浏览器与服务器之间的通信格式，确保数据按照预定的规则传输。

TCP（Transmission Control Protocol） 则是一种传输层协议，负责数据如何在网络中传输。它定义了数据传输的方式，包括连接的建立、维持以及数据包的发送和接收。TCP 确保数据传输的可靠性，即数据是否能够按预期到达目的地。

HTTP 依赖于 TCP 来进行数据传输，HTTP 用于处理请求和响应的格式，而 TCP 则负责建立连接、保持连接以及数据包的可靠传输。也可以说 HTTP 运行在 TCP 之上。

3、关于 TCP 连接的常用术语

• SYN：synchronous 建立联机
• ACK：acknowledgement 确认
• PSH：push 传送
• FIN：finish 结束
• RST：reset 重置
• URG：urgent 紧急
• Sequence number：顺序号码
• Acknowledge number：确认号码

4、三次握手

4.1、什么是三次握手

所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一个 TCP 连接时，需要客户端和服务器总共发送 3 个包。

4.2、为何需要三次握手

为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。

4.3、过程

第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，将 SYN 位置为 1，Sequence Number 为 x；然后，客户端进入 SYN_SEND 状态，等待服务器的确认；

第二次握手： 服务器收到 SYN 报文段。服务器收到客户端的 SYN 报文段，需要对这个 SYN 报文段进行确认，设置 Acknowledgment Number 为 x+1(Sequence Number+1)；同时，自己自己还要发送 SYN 请求信息，将 SYN 位置为 1，Sequence Number 为 y；服务器端将上述所有信息放到一个报文段（即 SYN+ACK 报文段）中，一并发送给客户端，此时服务器进入 SYN_RECV 状态；

第三次握手：客户端收到服务器的 SYN+ACK 报文段。然后将 Acknowledgment Number 设置为 y+1，向服务器发送 ACK 报文段，这个报文段发送完毕以后，客户端和服务器端都进入 ESTABLISHED 状态，完成 TCP 三次握手。

5、四次挥手

5.1、什么是四次挥手

所谓四次挥手(Four-way Handshake)，是指终止一个 TCP 连接，需要总共发送 4 个包来完成这个过程。

5.2、为何需要四次挥手

当数据传输完成，tcp 通过四次挥手断开 tcp 连接，释放系统资源

5.3、过程

第一次挥手：主机 1（可以使客户端，也可以是服务器端），设置 Sequence Number，向主机 2 发送一个 FIN 报文段；此时，主机 1 进入 FIN_WAIT_1 状态；这表示主机 1 没有数据要发送给主机 2 了；

第二次挥手：主机 2 收到了主机 1 发送的 FIN 报文段，向主机 1 回一个 ACK 报文段，Acknowledgment Number 为 Sequence Number 加 1；主机 1 进入 FIN_WAIT_2 状态；主机 2 告诉主机 1，我“同意”你的关闭请求；

第三次挥手：主机 2 向主机 1 发送 FIN 报文段，请求关闭连接，同时主机 2 进入 LAST_ACK 状态；

第四次挥手：主机 1 收到主机 2 发送的 FIN 报文段，向主机 2 发送 ACK 报文段，然后主机 1 进入 TIME_WAIT 状态；主机 2 收到主机 1 的 ACK 报文段以后，就关闭连接；此时，主机 1 等待 2MSL 后依然没有收到回复，则证明 Server 端已正常关闭，那好，主机 1 也可以关闭连接了。

三次握手

四次挥手