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大家好，我是考拉??。

通常我們開發(fā)H5，都是基于HTTP協(xié)議，典型的請求/響應(yīng) 模式。隨著web能力越來越豐富，更多的小伙伴有機(jī)會嘗試一些新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，比如 WebSocket ，這在一些實(shí)時性要求比較高的場景出現(xiàn)頻率很高。今天帶來一篇關(guān)于 WebSocket 原理的文章，對于接觸過的同學(xué)，可以看看自己是否已經(jīng)掌握了這些基礎(chǔ)知識，還不了解的同學(xué)也可以擴(kuò)展下知識面，畢竟知識面越廣，將來在項(xiàng)目里進(jìn)行技術(shù)選型、決策時候，才能更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)。

下面是正文部分。

一、前言

踩著年末的尾巴，提前布局來年，為來年的工作做個好的鋪墊，所以就開始了面試歷程，因?yàn)轫?xiàng)目中使用到了 WebSocket ，面試官在深挖項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的時候，也難免提到 WebSocket 相關(guān)的知識點(diǎn)，因?yàn)橹安]有考慮這么深，所以，回答的還是有所欠缺，因此，趕緊趁熱再熟悉熟悉，也借此機(jī)會，整理出來供大家咀嚼，每個項(xiàng)目都有其值得挖掘的閃光點(diǎn)，要用有愛的眼睛??去發(fā)現(xiàn)。

二、什么是WebSocket

WebSocket 是一種在單個TCP連接上進(jìn)行全雙工通信的協(xié)議。WebSocket 使得客戶端和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換變得更加簡單，允許服務(wù)端主動向客戶端推送數(shù)據(jù)。

在 WebSocket API 中，瀏覽器和服務(wù)器只需要完成一次握手，兩者之間就直接可以創(chuàng)建持久性的連接，并進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。（維基百科）

WebSocket本質(zhì)上一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的協(xié)議，用來彌補(bǔ)http協(xié)議在持久通信能力上的不足。

WebSocket 協(xié)議在2008年誕生，2011年成為國際標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在最新版本瀏覽器都已經(jīng)支持了。

它的最大特點(diǎn)就是，服務(wù)器可以主動向客戶端推送信息，客戶端也可以主動向服務(wù)器發(fā)送信息，是真正的雙向平等對話，屬于服務(wù)器推送技術(shù)的一種。

WebSocket 的其他特點(diǎn)包括：

（1）建立在 TCP 協(xié)議之上，服務(wù)器端的實(shí)現(xiàn)比較容易。

（2）與 HTTP 協(xié)議有著良好的兼容性。默認(rèn)端口也是80和443，并且握手階段采用 HTTP 協(xié)議，因此握手時不容易屏蔽，能通過各種 HTTP 代理服務(wù)器。

（3）數(shù)據(jù)格式比較輕量，性能開銷小，通信高效。

（4）可以發(fā)送文本，也可以發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

（5）沒有同源限制，客戶端可以與任意服務(wù)器通信。

（6）協(xié)議標(biāo)識符是ws（如果加密，則為wss），服務(wù)器網(wǎng)址就是 URL。


     

ws://example.com:80/some/path

為什么需要 WebSocket？

我們已經(jīng)有了 HTTP 協(xié)議，為什么還需要另一個協(xié)議？它能帶來什么好處？

因?yàn)?HTTP 協(xié)議有一個缺陷：通信只能由客戶端發(fā)起，不具備服務(wù)器推送能力。

舉例來說，我們想了解查詢今天的實(shí)時數(shù)據(jù)，只能是客戶端向服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器返回查詢結(jié)果。HTTP 協(xié)議做不到服務(wù)器主動向客戶端推送信息。

這種單向請求的特點(diǎn)，注定了如果服務(wù)器有連續(xù)的狀態(tài)變化，客戶端要獲知就非常麻煩。我們只能使用'輪詢'：每隔一段時候，就發(fā)出一個詢問，了解服務(wù)器有沒有新的信息。最典型的場景就是聊天室。輪詢的效率低，非常浪費(fèi)資源（因?yàn)楸仨毑煌＿B接，或者 HTTP 連接始終打開）。

在 WebSocket 協(xié)議出現(xiàn)以前，創(chuàng)建一個和服務(wù)端進(jìn)雙通道通信的 web 應(yīng)用，需要依賴HTTP協(xié)議，進(jìn)行不停的輪詢，這會導(dǎo)致一些問題：

服務(wù)端被迫維持來自每個客戶端的大量不同的連接
大量的輪詢請求會造成高開銷，比如會帶上多余的header，造成了無用的數(shù)據(jù)傳輸。

http協(xié)議本身是沒有持久通信能力的，但是我們在實(shí)際的應(yīng)用中，是很需要這種能力的，所以，為了解決這些問題，WebSocket協(xié)議由此而生，于2011年被IETF定為標(biāo)準(zhǔn)RFC6455，并被RFC7936所補(bǔ)充規(guī)范。

并且在HTML5標(biāo)準(zhǔn)中增加了有關(guān)WebSocket協(xié)議的相關(guān)api，所以只要實(shí)現(xiàn)了HTML5標(biāo)準(zhǔn)的客戶端，就可以與支持WebSocket協(xié)議的服務(wù)器進(jìn)行全雙工的持久通信了。

WebSocket 與 HTTP 的區(qū)別

WebSocket 與 HTTP的關(guān)系圖：

相同點(diǎn)： 都是一樣基于TCP的，都是可靠性傳輸協(xié)議。都是應(yīng)用層協(xié)議。

聯(lián)系： WebSocket在建立握手時，數(shù)據(jù)是通過HTTP傳輸?shù)摹５墙⒅螅谡嬲齻鬏敃r候是不需要HTTP協(xié)議的。

下面一張圖說明了 HTTP 與 WebSocket 的主要區(qū)別：

1、WebSocket是雙向通信協(xié)議，模擬Socket協(xié)議，可以雙向發(fā)送或接受信息，而HTTP是單向的；2、WebSocket是需要瀏覽器和服務(wù)器握手進(jìn)行建立連接的，而http是瀏覽器發(fā)起向服務(wù)器的連接。

注意：雖然HTTP/2也具備服務(wù)器推送功能，但HTTP/2 只能推送靜態(tài)資源，無法推送指定的信息。

三、WebSocket協(xié)議的原理

與http協(xié)議一樣，WebSocket協(xié)議也需要通過已建立的TCP連接來傳輸數(shù)據(jù)。具體實(shí)現(xiàn)上是通過http協(xié)議建立通道，然后在此基礎(chǔ)上用真正的WebSocket協(xié)議進(jìn)行通信，所以WebSocket協(xié)議和http協(xié)議是有一定的交叉關(guān)系的。

首先，WebSocket 是一個持久化的協(xié)議，相對于 HTTP 這種非持久的協(xié)議來說。簡單的舉個例子吧，用目前應(yīng)用比較廣泛的 PHP 生命周期來解釋。

HTTP 的生命周期通過 Request 來界定，也就是一個 Request 一個 Response ，那么在 HTTP1.0 中，這次 HTTP 請求就結(jié)束了。

在 HTTP1.1 中進(jìn)行了改進(jìn)，使得有一個 keep-alive，也就是說，在一個 HTTP 連接中，可以發(fā)送多個 Request，接收多個 Response。但是請記住 Request = Response，在 HTTP 中永遠(yuǎn)是這樣，也就是說一個 Request 只能有一個 Response。而且這個 Response 也是被動的，不能主動發(fā)起。

首先 WebSocket 是基于 HTTP 協(xié)議的，或者說借用了 HTTP 協(xié)議來完成一部分握手。

首先我們來看個典型的 WebSocket 握手


     

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13
Origin: http://example.com

熟悉 HTTP 的童鞋可能發(fā)現(xiàn)了，這段類似 HTTP 協(xié)議的握手請求中，多了這么幾個東西。


     

Upgrade: websocket
Connection: Upgrade

這個就是 WebSocket 的核心了，告訴 Apache 、 Nginx 等服務(wù)器：注意啦，我發(fā)起的請求要用 WebSocket 協(xié)議，快點(diǎn)幫我找到對應(yīng)的助理處理~而不是那個老土的 HTTP。


     

Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13

首先， Sec-WebSocket-Key 是一個 Base64 encode 的值，這個是瀏覽器隨機(jī)生成的，告訴服務(wù)器：泥煤，不要忽悠我，我要驗(yàn)證你是不是真的是 WebSocket 助理。

然后， Sec_WebSocket-Protocol 是一個用戶定義的字符串，用來區(qū)分同 URL 下，不同的服務(wù)所需要的協(xié)議。簡單理解：今晚我要服務(wù)A，別搞錯啦~

最后， Sec-WebSocket-Version 是告訴服務(wù)器所使用的 WebSocket Draft （協(xié)議版本），在最初的時候，WebSocket 協(xié)議還在 Draft 階段，各種奇奇怪怪的協(xié)議都有，而且還有很多期奇奇怪怪不同的東西，什么 Firefox 和 Chrome 用的不是一個版本之類的，當(dāng)初 WebSocket 協(xié)議太多可是一個大難題。。不過現(xiàn)在還好，已經(jīng)定下來啦~大家都使用同一個版本：服務(wù)員，我要的是13歲的噢→_→

然后服務(wù)器會返回下列東西，表示已經(jīng)接受到請求，成功建立 WebSocket 啦！


     

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk=
Sec-WebSocket-Protocol: chat

這里開始就是 HTTP 最后負(fù)責(zé)的區(qū)域了，告訴客戶，我已經(jīng)成功切換協(xié)議啦~


     

Upgrade: websocket
Connection: Upgrade

依然是固定的，告訴客戶端即將升級的是 WebSocket 協(xié)議，而不是 mozillasocket，lurnarsocket 或者 shitsocket。

然后， Sec-WebSocket-Accept 這個則是經(jīng)過服務(wù)器確認(rèn)，并且加密過后的 Sec-WebSocket-Key 。服務(wù)器：好啦好啦，知道啦，給你看我的 ID CARD 來證明行了吧。

后面的， Sec-WebSocket-Protocol 則是表示最終使用的協(xié)議。

至此，HTTP 已經(jīng)完成它所有工作了，接下來就是完全按照 WebSocket 協(xié)議進(jìn)行了。

總結(jié)，WebSocket連接的過程是：

首先，客戶端發(fā)起http請求，經(jīng)過3次握手后，建立起TCP連接；http請求里存放WebSocket支持的版本號等信息，如：Upgrade、Connection、WebSocket-Version等；

然后，服務(wù)器收到客戶端的握手請求后，同樣采用HTTP協(xié)議回饋數(shù)據(jù)；

最后，客戶端收到連接成功的消息后，開始借助于TCP傳輸信道進(jìn)行全雙工通信。

四、Websocket的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

WebSocket協(xié)議一旦建議后，互相溝通所消耗的請求頭是很小的
服務(wù)器可以向客戶端推送消息了

缺點(diǎn)：

少部分瀏覽器不支持，瀏覽器支持的程度與方式有區(qū)別（IE10）

五、WebSocket應(yīng)用場景

即時聊天通信
多玩家游戲
在線協(xié)同編輯/編輯
實(shí)時數(shù)據(jù)流的拉取與推送
體育/游戲?qū)崨r
實(shí)時地圖位置
即時Web應(yīng)用程序：即時Web應(yīng)用程序使用一個Web套接字在客戶端顯示數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由后端服務(wù)器連續(xù)發(fā)送。在WebSocket中，數(shù)據(jù)被連續(xù)推送/傳輸?shù)揭呀?jīng)打開的同一連接中，這就是為什么WebSocket更快并提高了應(yīng)用程序性能的原因。例如在交易網(wǎng)站或比特幣交易中，這是最不穩(wěn)定的事情，它用于顯示價格波動，數(shù)據(jù)被后端服務(wù)器使用Web套接字通道連續(xù)推送到客戶端。
游戲應(yīng)用程序：在游戲應(yīng)用程序中，你可能會注意到，服務(wù)器會持續(xù)接收數(shù)據(jù)，而不會刷新用戶界面。屏幕上的用戶界面會自動刷新，而且不需要建立新的連接，因此在WebSocket游戲應(yīng)用程序中非常有幫助。
聊天應(yīng)用程序：聊天應(yīng)用程序僅使用WebSocket建立一次連接，便能在訂閱戶之間交換，發(fā)布和廣播消息。它重復(fù)使用相同的WebSocket連接，用于發(fā)送和接收消息以及一對一的消息傳輸。

不能使用WebSocket的場景

如果我們需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娜魏螌?shí)時更新或連續(xù)數(shù)據(jù)流，則可以使用WebSocket。如果我們要獲取舊數(shù)據(jù)，或者只想獲取一次數(shù)據(jù)供應(yīng)用程序使用，則應(yīng)該使用HTTP協(xié)議，不需要很頻繁或僅獲取一次的數(shù)據(jù)可以通過簡單的HTTP請求查詢，因此在這種情況下最好不要使用WebSocket。

注意：如果僅加載一次數(shù)據(jù)，則RESTful Web服務(wù)足以從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)。

六、websocket 斷線重連

心跳就是客戶端定時的給服務(wù)端發(fā)送消息，證明客戶端是在線的，如果超過一定的時間沒有發(fā)送則就是離線了。

如何判斷在線離線？

當(dāng)客戶端第一次發(fā)送請求至服務(wù)端時會攜帶唯一標(biāo)識、以及時間戳，服務(wù)端到db或者緩存去查詢改請求的唯一標(biāo)識，如果不存在就存入db或者緩存中，

第二次客戶端定時再次發(fā)送請求依舊攜帶唯一標(biāo)識、以及時間戳，服務(wù)端到db或者緩存去查詢改請求的唯一標(biāo)識，如果存在就把上次的時間戳拿取出來，使用當(dāng)前時間戳減去上次的時間，

得出的毫秒秒數(shù)判斷是否大于指定的時間，若小于的話就是在線，否則就是離線；

如何解決斷線問題

通過查閱資料了解到 nginx 代理的 websocket 轉(zhuǎn)發(fā)，無消息連接會出現(xiàn)超時斷開問題。網(wǎng)上資料提到解決方案兩種，一種是修改nginx配置信息，第二種是websocket發(fā)送心跳包。

下面就來總結(jié)一下本次項(xiàng)目實(shí)踐中解決的websocket的斷線和重連這兩個問題的解決方案。

主動觸發(fā)包括主動斷開連接，客戶端主動發(fā)送消息給后端

主動斷開連接


     

ws.close();

主動斷開連接，根據(jù)需要使用，基本很少用到。

主動發(fā)送消息


     

ws.send('hello world');

針對websocket斷線我們來分析一下，

斷線的可能原因1：websocket超時沒有消息自動斷開連接，應(yīng)對措施：
這時候我們就需要知道服務(wù)端設(shè)置的超時時長是多少，在小于超時時間內(nèi)發(fā)送心跳包，有2中方案:一種是客戶端主動發(fā)送上行心跳包，另一種方案是服務(wù)端主動發(fā)送下行心跳包。
下面主要講一下客戶端也就是前端如何實(shí)現(xiàn)心跳包：
首先了解一下心跳包機(jī)制
跳包之所以叫心跳包是因?yàn)椋核裥奶粯用扛艄潭〞r間發(fā)一次，以此來告訴服務(wù)器，這個客戶端還活著。事實(shí)上這是為了保持長連接，至于這個包的內(nèi)容，是沒有什么特別規(guī)定的，不過一般都是很小的包，或者只包含包頭的一個空包。
在TCP的機(jī)制里面，本身是存在有心跳包的機(jī)制的，也就是TCP的選項(xiàng)：SO_KEEPALIVE。系統(tǒng)默認(rèn)是設(shè)置的2小時的心跳頻率。但是它檢查不到機(jī)器斷電、網(wǎng)線拔出、防火墻這些斷線。而且邏輯層處理斷線可能也不是那么好處理。一般，如果只是用于保活還是可以的。
心跳包一般來說都是在邏輯層發(fā)送空的echo包來實(shí)現(xiàn)的。下一個定時器，在一定時間間隔下發(fā)送一個空包給客戶端，然后客戶端反饋一個同樣的空包回來，服務(wù)器如果在一定時間內(nèi)收不到客戶端發(fā)送過來的反饋包，那就只有認(rèn)定說掉線了。
在長連接下，有可能很長一段時間都沒有數(shù)據(jù)往來。理論上說，這個連接是一直保持連接的，但是實(shí)際情況中，如果中間節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)什么故障是難以知道的。更要命的是，有的節(jié)點(diǎn)(防火墻)會自動把一定時間之內(nèi)沒有數(shù)據(jù)交互的連接給斷掉。在這個時候，就需要我們的心跳包了，用于維持長連接，保活。
心跳檢測步驟：

// 前端解決方案：心跳檢測
var heartCheck = {
    timeout: 30000, //30秒發(fā)一次心跳
    timeoutObj: null,
    serverTimeoutObj: null,
    reset: function(){
        clearTimeout(this.timeoutObj);
        clearTimeout(this.serverTimeoutObj);
        return this;
    },
    start: function(){
        var self = this;
        this.timeoutObj = setTimeout(function(){
            //這里發(fā)送一個心跳，后端收到后，返回一個心跳消息，
            //onmessage拿到返回的心跳就說明連接正常
            ws.send('ping');
            console.log('ping!')

            self.serverTimeoutObj = setTimeout(function(){//如果超過一定時間還沒重置，說明后端主動斷開了
                ws.close(); //如果onclose會執(zhí)行reconnect，我們執(zhí)行ws.close()就行了.如果直接執(zhí)行reconnect 會觸發(fā)onclose導(dǎo)致重連兩次
            }, self.timeout);
        }, this.timeout);
    }
}

客戶端每隔一個時間間隔發(fā)生一個探測包給服務(wù)器
客戶端發(fā)包時啟動一個超時定時器
服務(wù)器端接收到檢測包，應(yīng)該回應(yīng)一個包
如果客戶機(jī)收到服務(wù)器的應(yīng)答包，則說明服務(wù)器正常，刪除超時定時器
如果客戶端的超時定時器超時，依然沒有收到應(yīng)答包，則說明服務(wù)器掛了

斷線的可能原因2：websocket異常包括服務(wù)端出現(xiàn)中斷，交互切屏等等客戶端異常中斷等等
當(dāng)若服務(wù)端宕機(jī)了，客戶端怎么做、服務(wù)端再次上線時怎么做？
客戶端則需要斷開連接，通過onclose 關(guān)閉連接，服務(wù)端再次上線時則需要清除之間存的數(shù)據(jù)，若不清除則會造成只要請求到服務(wù)端的都會被視為離線。
針對這種異常的中斷解決方案就是處理重連，下面我們給出的重連方案是使用js庫處理：引入reconnecting-websocket.min.js，ws建立鏈接方法使用js庫api方法：

var ws = new ReconnectingWebSocket(url);
// 斷線重連：
reconnectSocket(){
    if ('ws' in window) {
        ws = new ReconnectingWebSocket(url);
    } else if ('MozWebSocket' in window) {
       ws = new MozWebSocket(url);
    } else {
      ws = new SockJS(url);
    }
}

斷網(wǎng)監(jiān)測支持使用js庫：offline.min.js

onLineCheck(){
    Offline.check();
    console.log(Offline.state,'---Offline.state');
    console.log(this.socketStatus,'---this.socketStatus');

    if(!this.socketStatus){
        console.log('網(wǎng)絡(luò)連接已斷開！');
        if(Offline.state === 'up' && websocket.reconnectAttempts > websocket.maxReconnectInterval){
            window.location.reload();
        }
        reconnectSocket();
    }else{
        console.log('網(wǎng)絡(luò)連接成功！');
        websocket.send('heartBeat');
    }
}

// 使用：在websocket斷開鏈接時調(diào)用網(wǎng)絡(luò)中斷監(jiān)測
websocket.onclose => () {
    onLineCheck();
};

以上方案，只是拋磚引玉，如果大家有更好的解決方案歡迎評論區(qū)分享交流。

七、總結(jié)

WebSocket 是為了在 web 應(yīng)用上進(jìn)行雙通道通信而產(chǎn)生的協(xié)議，相比于輪詢HTTP請求的方式，WebSocket 有節(jié)省服務(wù)器資源，效率高等優(yōu)點(diǎn)。
WebSocket 中的掩碼是為了防止早期版本中存在中間緩存污染攻擊等問題而設(shè)置的，客戶端向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)需要掩碼，服務(wù)端向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)不需要掩碼。
WebSocket 中 Sec-WebSocket-Key 的生成算法是拼接服務(wù)端和客戶端生成的字符串，進(jìn)行SHA1哈希算法，再用base64編碼。
WebSocket 協(xié)議握手是依靠 HTTP 協(xié)議的，依靠于 HTTP 響應(yīng)101進(jìn)行協(xié)議升級轉(zhuǎn)換。

原文地址：https://juejin.cn/post/7020964728386093093

最后

    
     
      
       
      
      
       Node 社群
      
     
    
    
     
      
       
        

       
       
        

       
      
     
    
我組建了一個氛圍特別好的 Node.js 社群，里面有很多 Node.js小伙伴，如果你對Node.js學(xué)習(xí)感興趣的話（后續(xù)有計(jì)劃也可以），我們可以一起進(jìn)行Node.js相關(guān)的交流、學(xué)習(xí)、共建。下方加 考拉 好友回復(fù)「Node」即可。
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一文吃透 WebSocket 原理

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