小菜學網絡之WebSocket協議

作者：fasionchan 2025-02-08 10:11:25

不少應用場景要求服務主動向客戶端進行推送，這時 HTTP 協議就有點捉襟見肘了。舉個例子，為實現 Web 聊天室功能，當新消息到達時，服務器必須向客戶端推送通知。只用 HTTP 協議來實現，我們必須在客戶端做輪詢。

Web應用采用 HTTP 協議進行通信：客戶端向服務器發送 HTTP 請求，服務器對請求進行處理后，向客戶端回復 HTTP 響應。換句話講，HTTP 協議只能客戶端主動發起請求，服務器被動進行響應。

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輪詢有個致命的缺陷——性能比較差：如果輪詢頻率很高，服務器要消耗很多資源；但如果控制輪詢頻率，應用消息通知的實時性又大打折扣。

很顯然，服務器主動向客戶端推送數據，也是一個非常常見的應用場景，最好能從網絡協議層面進行支持。為此，計算機網絡先驅們設計了 WebSocket 協議。

WebSocket 協議，顧名思義為 Web 應用引入了套接字（ socket ）通信能力。Websocket 是一種應用層協議，以 TCP 為底層傳輸協議，為通信雙方提供了一個全雙工的信道。

為了兼容 Web 主流應用協議 HTTP ，WeSocket 復用 80 和 443 端口，并使用 HTTP 請求來建立連接（配合 Upgrade 頭部）。因此，WebSocket 可以兼容現有的 HTTP代理和中間件，例如 Nginx 。

URL

和 HTTP 協議一樣，WebSocket 服務器地址也用 URL 表示，只是協議部分為 ws 或 wss 。例如：

# ws代表WebSocket協議，端口為80
ws://api.fasionchan.com/chat

# wss代表WebSocket安全協議，與https類似，端口為443
wss://api.fasionchan.com/chat

連接建立

客戶端先通過 TCP 協議連到服務器，然后通過 TCP 連接向服務器發送 HTTP 請求。請注意，HTTP 請求頭中要帶 Upgrade 頭部，告訴服務器將連接升級到 WebSocket 協議：

GET /chat HTTP/1.1
Host: localhost:8080
User-Agent: Go-http-client/1.1
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: bLPIf/xpAnrtCKuifPKTUg==
Sec-WebSocket-Version: 13
Upgrade: websocket

服務器接到請求后，檢查 Upgrade 頭部，發現客戶端想將連接協議升級到 WebSocket 。如果應用服務器支持 WebSocket ，它便回復 101 狀態碼，表示同意切換協議：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: lShvB7NL9TbGxezz+KUd5ee6jhA=

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HTTP 請求和響應交互完畢后，通信雙方就可以在 TCP 連接上互相發送 WebSocket 報文了。

數據幀

連接建好后，通信雙方就可以用 WebSocket 協議來發送數據了。WebSocket 將數據組織成一系列幀（ frame ）來傳輸，一條應用層消息可以封裝成一個或多個數據幀。數據幀報文結構如下所示：

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標志位，占 4每個標識占一位；

a.FIN

b.RSV1 、RSV2 和 RSV3

a.0 這是前面數據幀的續幀（一個消息封裝成多個幀時）；

b.1表示這是一個文本幀；

c.2 表示這是一個二進制（ binary ）幀；

d3~7 保留，未來可以分配給新的非控制（ non-control ）幀；

e.8 表示這是一個連接關閉（ close ）幀；

f.9 表示這是一個 ping 幀；

g.10 表示這是一個 pong 幀；

h.11~15 保留，未來可以分配給新的控制（ control ）幀；

MASK 位，表示承載數據（ payload data ）是否做掩碼處理，1 表示掩碼處理，0 表示不做掩碼處理（客戶端發的幀必須做掩碼處理，主要出于避免網絡中間件混淆和安全上的考慮）；
數據長度（ payload len ），占 7 位，用來表示數據負載的長度（以字節為單位）；

a.該字段小于 126 時，該字段直接表示數據長度，其后的擴展字段為空（ 0 字節），可表示 0~125 字節的數據；

b.當該字段等于 126 時，數據長度由其后的擴展字段表示，這是擴展字段為 2 字節，可表示長度為 126~65535 字節的數據；

擴展數據長度（ extended payload len ），占用 0 、2 或 8 字節，由前一個字段決定；
掩碼Key（ masking key ），數據幀開啟掩碼處理時（ MASK=1 ）才有，占用 4 個字節，用于掩碼計算；
承載數據（ payload data ），即數據幀承載的應用層數據；

數據長度字段比較復雜，需要分三種情況討論，分別舉個例子幫助理解：

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注意到，為了簡化報文，我們假設 MASK=0 ，未啟動掩碼處理。

WebSocket 幀結構看似復雜，但無非還是先分成頭部和數據兩大部分，其中頭部保存數據類型（操作碼）和數據長度，而操作碼又分成控制和非控制兩種。

控制幀則繼續分為 close 、ping 和 pong 三種：close 用于關閉連接；ping 和 pong 用于檢測連接狀態，檢測方發 ping ，被檢測方回復 pong 。這樣當應用暫時沒有數據要發送時，ping/pong 可讓連接保持活躍。當連接斷開時，也能及時檢測到。

而非控制幀則分為 text 和 binary 兩種，上層應用使用文本協議，則選 text ；使用二進制協議，則選 binary 。

總結

WebSocket 兼容 HTTP 協議，借助 HTTP 請求建立連接；
WebSocket 通信分為兩個階段：

連接建立階段：使用 HTTP
數據通信階段：使用 WebSocket

WebSocket 通信報文為幀，一個幀由頭部和數據兩部分組成；
WebSocket 幀頭部保存操作碼和數據長度等字段；
根據操作碼不同，WebSocket 幀可以分成控制幀和非控制幀兩類；
WebSocket 控制幀分為 close 、ping 和 pong 三種；

ping / pong 控制幀用于連接保活和狀態檢測；
close 控制幀用于關閉連接；

WebSocket 非控制幀分為文本幀和二進制幀兩種；

責任編輯：武曉燕來源：小菜學編程