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websocket协议的原理

科技绿洲 来源:Linux开发架构之路 作者:Linux开发架构之路 2023-11-09 15:13 次阅读

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。 该威廉希尔官方网站 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。

图片

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,一门新威廉希尔官方网站 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 服务器推送威廉希尔官方网站 ,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威廉希尔官方网站 ,这些威廉希尔官方网站 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

图片

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。

四、WebSocket协议举例

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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。

图片

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://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。

图片

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。

图片

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。

图片

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://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();

图片

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.");
}

图片

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