websocket

websocket协议

WebSocket是一种网络通信协议，很多高级功能都需要它，例如浏览器与服务器之间的实时通信。

WebSocket协议在2008年诞生，2011年成为国际标准。所有浏览器都已经支持了。

WebSocket协议和HTTP协议都是应用层协议，都基于TCP协议。但是，WebSocket协议是一种双向通信协议，在建立连接后，WebSocket服务器和Browser/Client Agent都能主动向对方发送或接收数据，就像Socket一样；而HTTP协议是一种单向通信协议，只能由Client Agent向WebSocket服务器发送请求，WebSocket服务器不能主动向Client Agent发送数据，但是WebSocket服务器可以向Client Agent发送HTTP响应。

它的最大特点就是：服务器可以主动向客户端推送信息，客户端也可以主动向服务器发送信息，是真正的双向平等对话，属于服务器推送技术的一种。

WebSocket协议在建立握手时，数据是通过HTTP传输的，但是建立之后，在真正进行数据传输时，是不需要HTTP协议的，因此，WebSocket是一个独立的协议。

websocket的优势

WebSocket协议相比传统的HTTP协议有如下优势：

• 支持双向通信，实时性更强；
• 较少的控制开销。连接创建后，ws客户端、服务端进行数据交换时，协议控制的数据包头部较小。在不包含头部的情况下，服务端到客户端的包头只有2~10字节（取决于数据包长度），客户端到服务端的的话，需要加上额外的4字节的掩码。而HTTP协议每次通信都需要携带完整的头部；
• 支持扩展。ws协议定义了扩展，用户可以扩展协议，或者实现自定义的子协议（例如支持自定义压缩算法等）；
• 更好的压缩效果。相比HTTP协议，Websocket协议中包头的数据量小很多；
• 支持更多类型的数据。WebSocket定义了二进制帧，相比HTTP协议传输数据类型更多样化。

websocket的缺点

• 需要服务器支持。因为需要服务器进行协议升级处理，所以需要服务器支持WebSocket协议；
• 连接不能穿透防火墙。因为使用的是TCP协议，所以连接不能穿透防火墙；
• 数据包头部比较大。每次通信都需要携带完整的头部，带宽占用较多。

websocket的应用场景

• 聊天室
• 网络游戏
• 在线教育
• 在线客服
• 实时数据推送
• 在线视频/音频会议
• 在线多人协作开发
• 在线多人实时协作办公

websocket的使用

建立连接

WebSocket协议本质上是一个基于TCP的协议，WebSocket连接在建立时需要借助HTTP协议，连接建立好后，底层的TCP连接就与HTTP无关了。

WebSocket连接的建立过程如下：

1. 客户端向服务器发起一个HTTP请求，这个请求和通常的HTTP请求不同，包含了一些附加头信息，其中附加头信息"Upgrade: WebSocket"表明这是一个申请协议升级的HTTP请求，服务器端解析这些附加头信息，如果同意协议升级，则返回101状态码表示成功，表示协议已经升级，这时候TCP连接就升级为WebSocket连接了，后续的数据交换都按照WebSocket协议来进行，如果不同意协议升级，则返回4xx或5xx的状态码，表示协议升级失败，连接会按照HTTP协议来进行；

2. 客户端和服务器端都可以在任意时刻发送数据，数据以帧（Frame）为单位传输，每个帧包含一定的数据以及标识信息，如数据是否被加密过、是否为控制帧等。

数据帧

WebSocket的不同类型的帧负责不同的功能，帧的类型如下：

• 0x0：表示附加数据帧；
• 0x1：表示文本数据帧；
• 0x2：表示二进制数据帧；
• 0x3-7：保留的数据帧类型；
• 0x8：表示连接关闭；
• 0x9：表示ping；
• 0xA：表示pong；
• 0xB-F：保留的控制帧类型。

数据帧的格式

WebSocket协议定义了数据帧的格式，如下图所示：

WebSocket数据帧格式

数据帧的格式如下：

• FIN：1位，表示这是消息的最后一个数据帧；
• RSV1, RSV2, RSV3：各1位，保留字段，暂时不使用；
• Opcode：4位，表示数据帧的类型，如果是0x0表示附加数据帧，如果是0x1表示文本数据帧，如果是0x2表示二进制数据帧，如果是0x8表示连接关闭，如果是0x9表示ping，如果是0xA表示pong；
• Mask：1位，表示是否要对数据进行掩码处理，从客户端向服务器端发送数据时，需要对数据进行掩码处理，从服务器端向客户端发送数据时，不需要对数据进行掩码处理；
• Payload length：7位，表示数据的长度，如果是0~125，表示数据的长度，如果是126，表示后面2个字节表示数据的长度，如果是127，表示后面8个字节表示数据的长度；
• Masking-key：4字节，如果Mask为1，表示掩码，否则为0；
• Payload data：数据，长度等于Payload length。

WebSocket的使用

WebSocket的使用非常简单，只需要通过JavaScript的WebSocket对象即可，WebSocket对象的使用如下所示：

// 创建WebSocket对象
var ws = new WebSocket("ws://localhost:8080");

// 监听WebSocket的打开事件
ws.onopen = function() {
    console.log("WebSocket已经打开");
};

// 监听WebSocket的关闭事件

ws.onclose = function() {
    console.log("WebSocket已经关闭");
};

// 监听WebSocket的错误事件
ws.onerror = function() {
    console.log("WebSocket发生错误");
};

// 监听WebSocket的消息事件
ws.onmessage = function(event) {
    console.log("WebSocket接收到消息：" + event.data);
};

// 向WebSocket发送消息
ws.send("Hello WebSocket");

WebSocket的实现

WebSocket的实现非常简单，只需要使用Java的ServerSocket即可，ServerSocket的使用如下所示：

// 创建ServerSocket对象
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);

// 监听客户端的连接
Socket socket = serverSocket.accept();

// 获取输入流
InputStream inputStream = socket.getInputStream();

// 获取输出流
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();

// 读取数据
byte[] buffer = new byte[1024];
int length = inputStream.read(buffer);
String data = new String(buffer, 0, length);
System.out.println("接收到数据：" + data);

// 发送数据
outputStream.write("Hello WebSocket".getBytes());

// 关闭连接
socket.close();