WebSocket协议解析

2022-08-24 21:37:31

现在，很多网站为了实现推送技术，所用的技术都是轮询。轮询是指在特定的时间间隔(如每一秒)，由浏览器对服务器发起HTTP请求，然后由服务器返回数据给浏览器
。由于HTTP协议是惰性的，只有客户端发起请求，服务器才会返回数据。轮询技术实现的前提条件同样是基于这种机制。而WebSocket属于服务端推送技术，本质是一种应用层协议，可以实现持久连接的全双工双向通信。在介绍WebSocket之前，先谈谈轮询技术和HTTP流技术。

Ajax短轮询(Ajax Polling)

Ajax短轮询即客户端周期性的向服务器发起HTTP请求，不管服务器是否真正获取到数据，都会向客户端返回响应。每个request对应一个response，由于HTTP/1.1的持久连接(建立一次TCP连接，发送多个请求)和管线化技术(异步发送请求)，使得HTTP请求可以在建立一次TCP连接之后发起多个异步请求。

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请求在每次发送时都会带上很长的请求头部字段，其中真正有效的数据可能只是很小的一部分(如Cookie字段)，显然服务器会浪费带宽等资源。

有朋友可能会想，那可以加大Ajax的传输时间，如改为3s为一个周期。但是时间长了，对于实时性要求比较高的项目来说，页面更新的数据也就太慢了。

Comet(服务端推送)

而比较新的技术向服务器轮询获取数据的实现是Comet，即服务端推送。简单的说，服务端推送就是在客户端发起HTTP请求之后，服务器可以主动的向客户端推送数据。实现Comet的方式有两种：Ajax长轮询和HTTP流。

Ajax长轮询(Ajax Long-polling)

Ajax长轮询本身不是一个真正的推送。长轮询是短轮询的一种变体。在客户端向服务器发起HTTP请求之后，服务器并不是每次都立即响应：当服务器得到最新数据时，会向客户端传输数据；当数据没有更新时，服务器会保持这个连接，等待更新数据之后，才向客户端传输数据。当然，如果服务端数据长时间没有更新，一段时间后，请求就会超时。客户端收到超时信息后，会重新发送一个HTTP请求给服务器。

也就是说，只有在服务器获取更新后的数据，才会向客户端传输数据。这种方式也存在弊端。虽然服务端可以主动的向客户端传输数据，但是依然需要反复发出请求(HTTP请求数量比短轮询少很多)。

短轮询和长轮询的相同点在于客户端都需要向服务器发起HTTP请求，不同点在于服务器如何响应：短轮询是服务器立即响应，不管数据是否有效；长轮询是等待数据更新后响应。

HTTP流

HTTP流不同于轮询技术，HTTP流只建立一次TCP连接，在3次握手之后进行HTTP通信，此时客户端向服务器发起一个HTTP请求，而服务器保持连接打开，周期性的向客户端传输数据。双方在没有明确提出断开连接时，服务器就会持续向客户端传输数据。也就是说，假如服务器数据没有更新，服务器不会返回响应，而是保持连接；如果数据更新了，会立即将数据传输给客户端。此时会发起下一个HTTP请求，过程周而复始。

在JS中，可以通过侦听readystatechange事件及检测readyState的值是否为3来实现HTTP流。随着不断从服务器接收数据，readyState的值会周期性的变为3。当readyState值变为3时，responseText属性就会保存接受到的所有数据。此时，就需要比较此前接收到的数据，决定从什么位置开始取得最新的数据。用XHR对象实现HTTP流的方式如下：

let httpStream = (url, processor, finished) => {
  let xhr = new XMLHttpRequest()
  let received = 0
  xhr.open(url, ‘get‘, true)
  xhr.addEvetntListener(‘readystatechange‘, () => {
    let result
    if (xhr.readyState === 3) {
      result = xhr.responseText.slice(received)
      received += result.length
      processor(result)
    } else if (xhr.readyState === 4) {
      finished(xhr.responseText)
    }
  })
}

只要readyState为3，就对responseText进行分隔以获取最新数据。这里的received表示记录已经处理了多少字符。然后通过processor回调函数来处理最新数据。而当readyState为4时，表示数据已经完全获取到，则直接将xhr.responseText传入finished回调函数处理即可。

调用方式如下.

httpStream(url, data => {
  console.log(data)
}, finishedData => {
  console.log(data)
})

对(长、短)轮询和HTTP流做一个小小的总结

传统轮询技术(Ajax短轮询)是客户端向服务器发起HTTP请求，无论数据是否更新，服务器都会传输数据。一个request对应一个response。
服务器推送技术(Ajax长轮询)是短轮询的变种，是客户端向服务器发起HTTP请求，只有等待数据更新后才会传输数据，否则服务器保持连接状态。接着发起下一次HTTP请求，一个request对应一个response。
服务器推送技术(HTTP流)，在客户端只发起一次HTTP请求，服务器保持连接状态，在数据更新之后，服务器会传输数据，否则保持连接状态。此时一个requset对应多个response。
无论是短轮询、长轮询，还是HTTP流，相同点在于都需要客户端先发起HTTP请求。

HTML5实现服务端推送

由于服务器推送的重要性(实现赛事结果更新、聊天室等)，HTML5实现了两个服务端推送接口，SSE和WebSocket。

SSE

SSE(Server-Sent Eevents，服务器发送事件)用于创建到服务器的单向连接，服务器通过这个连接可以发送任意数量的数据。实现SSE有以下几点要求

服务器响应的MIME类型必须是text/event-stream。
必须按照指定的格式输出。

用法如下，其实理解了服务器推送之后，SSE使用起来相对简单

// EventSource接受的参数必须同源。
// 使用message事件监听从服务器收到的消息，并存储在event.data对象里。
let source = new EventSource(‘index.php‘)
source.onmessage = e => {
  console.log(e.data)
}

SSE在IE下都不支持，ios4.0以上、android4.4以上都支持SSE。

WebSocket

铺垫了那么久的前文，终于到WebSocket了... ?? 感谢各位朋友不嫌弃的耐心阅读。

简单来说，WebSocket是一种协议，与HTTP协议一样位于应用层，都是TCP/IP协议的子集。HTTP协议是单向通信协议，只有客户端发起HTTP请求，服务端才会返回数据。而WebSocket协议是双向通信协议，在建立连接之后，客户端和服务器都可以主动向对方发送或接受数据。WebSocket协议建立的前提需要借助HTTP协议，建立连接之后，持久连接的双向通信就与HTTP协议无关了。

WebSocket协议的目标是在一个独立的持久连接上提供全双工双向通信。客户端和服务器可以向对方主动发送和接受数据。在JS中创建WebSocket后，会有一个HTTP请求发向浏览器以发起请求。在取得服务器响应后，建立的连接会使用HTTP升级将HTTP协议转换为WebSocket协议。也就是说，使用标准的HTTP协议无法实现WebSocket，只有支持那些协议的专门浏览器才能正常工作。

请认真阅读、记住上面一段话。: )

由于WebScoket使用了自定义协议，所以URL与HTTP协议略有不同。未加密的连接为ws://，而不是http://。加密的连接为wss://，而不是https://。

使用JavaScript是实现WebScoket协议相对简单，以下是WebSocket APIs

// 打开WebSocket, 传递的参数url没有同源策略的限制。
let websocket = new WebSocket(url)

// 监听open事件，在成功建立websocket时向url发送纯文本字符串数据(如果是对象则必须序列化处理)。
websocket.onopen = () => {
  if (websocket.readyState === WebSocket.OPEN) {
    websocket.send(‘hello world‘)
  }
}

// 监听message事件，在服务器响应时接受数据。返回的数据存储在事件对象中。
websocket.onmessage = e => {
  let data = e.data
  console.log(data)
}

// 监听error事件，在发生错误时触发，连接不能持续。
websocket.onerror = () => {
  console.log(‘websocket connecting error!!‘)
}

// 监听close事件，在连接关闭时触发。只有close事件的事件对象拥有额外的信息。可以通过这些信息来查看关闭状态
websocket.onclose = e => {
  let clean = e.wasClean // 是否已经关闭
  let code = e.code // 服务器返回的数值状态码。
  let reason = e.reason //服务器返回的消息。
}

注意，WebScoket不支持DOM2语法为事件绑定事件处理程序，因此必须使用DOM0级语法来每个事件绑定事件处理程序。

// correct!
websocket.onerror = () => {}
// error!
websocket.addEventListener(‘error‘, () => {})

看完了WebSocket APIs之后，再来看看WebSocket是如何实现连接的（奶思，看到这里的朋友耐心真棒.. 只剩下一点点了:) ）

WebSocket是应用层协议，是TCP/IP协议的子集，通过HTTP/1.1协议的101状态码进行握手。也就是说，WebSocket协议的建立需要先借助HTTP协议，在服务器返回101状态码之后，就可以进行websocket全双工双向通信了，就没有HTTP协议什么事情了。

参照wiki握手协议的例子：并对一些字段进行说明。

Connection:Connection必须设置为Upgrade，表示客户端希望连接升级

Upgrade:Upgrade必须设置为WebSocket，表示在取得服务器响应之后，使用HTTP升级将HTTP协议转换(升级)为WebSocket协议。

Sec-WebSocket-key:随机字符串，用于验证协议是否为WebSocket协议而非HTTP协议

Sec-WebSocket-Version:表示使用WebSocket的哪一个版本。

Sec-WebSocket-Accept:根据Sec-WebSocket-Accept和特殊字符串计算。验证协议是否为WebSocket协议。

Sec-WebSocket-Location:与Host字段对应，表示请求WebSocket协议的地址。

HTTP/1.1 101 Switching Protocols:101状态码表示升级协议，在返回101状态码后，HTTP协议完成工作，转换为WebSocket协议。此时就可以进行全双工双向通信了。

WebSocket协议的浏览器兼容性较好。