WebSocket 是什么原理？为什么可以实现持久连接？

偏执的太偏执、 2022-06-05 05:59 135阅读 0赞

作者：Ovear  
链接：https://www.zhihu.com/question/20215561/answer/40316953  
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**一、WebSocket是HTML5出的东西（协议），也就是说HTTP协议没有变化，或者说没关系，但HTTP是不支持持久连接的（长连接，循环连接的不算）**  
首先HTTP有1.1和1.0之说，也就是所谓的keep-alive，把多个HTTP请求合并为一个，但是Websocket其实是一个新协议，跟HTTP协议基本没有关系，只是为了兼容现有浏览器的握手规范而已，也就是说它是HTTP协议上的一种补充可以通过这样一张图理解

![Center][]

有交集，但是并不是全部。  
另外Html5是指的一系列新的API，或者说新规范，新技术。Http协议本身只有1.0和1.1，而且跟Html本身没有直接关系。。  
通俗来说，你可以用HTTP**协议**传输非Html**数据**，就是这样=。=  
再简单来说，**层级不一样**。

**二、Websocket是什么样的协议，具体有什么优点**  
首先，Websocket是一个**持久化**的协议，相对于HTTP这种**非持久**的协议来说。  
简单的举个例子吧，用目前应用比较广泛的PHP生命周期来解释。  
1) HTTP的生命周期通过Request来界定，也就是一个Request 一个Response，那么**在**HTTP1.0**中**，这次HTTP请求就结束了。  
在HTTP1.1中进行了改进，使得有一个keep-alive，也就是说，在一个HTTP连接中，可以发送多个Request，接收多个Response。  
但是请记住 Request = Response ， 在HTTP中永远是这样，也就是说一个request只能有一个response。而且这个response也是**被动**的，不能主动发起。

**教练，你BB了这么多，跟Websocket有什么关系呢？**  
\_(:з」∠)\_好吧，我正准备说Websocket呢。。  
首先Websocket是基于HTTP协议的，或者说 **借用**了HTTP的协议来完成一部分握手。  
在握手阶段是一样的  
\-------以下涉及专业技术内容，不想看的可以跳过lol:，或者只看加黑内容--------  
首先我们来看个典型的Websocket握手（借用Wikipedia的。。）

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的童鞋可能发现了，这段类似HTTP协议的握手请求中，多了几个东西。  
我会顺便讲解下作用。

Upgrade: websocket
    Connection: Upgrade

这个就是Websocket的核心了，告诉Apache、Nginx等服务器： **注意啦，窝发起的是Websocket协议，快点帮我找到对应的助理处理~不是那个老土的HTTP。**

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

首先，Sec-WebSocket-Key 是一个Base64 encode的值，这个是浏览器随机生成的，告诉服务器：**泥煤，不要忽悠窝，我要验证尼是不是真的是Websocket助理。**  
然后，Sec\_WebSocket-Protocol 是一个用户定义的字符串，用来区分同URL下，不同的服务所需要的协议。简单理解：**今晚我要服务A，别搞错啦~**  
最后，Sec-WebSocket-Version 是告诉服务器所使用的Websocket Draft（协议版本），在最初的时候，Websocket协议还在 Draft 阶段，各种奇奇怪怪的协议都有，而且还有很多期奇奇怪怪不同的东西，什么Firefox和Chrome用的不是一个版本之类的，当初Websocket协议太多可是一个大难题。。不过现在还好，已经定下来啦~大家都使用的一个东西~ 脱水：**服务员，我要的是13岁的噢→\_→**

然后服务器会返回下列东西，表示已经接受到请求， 成功建立Websocket啦！

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

这里开始就是HTTP最后负责的区域了，告诉客户，我已经成功切换协议啦~

Upgrade: websocket
    Connection: Upgrade

依然是固定的，告诉客户端即将升级的是Websocket协议，而不是mozillasocket，lurnarsocket或者shitsocket。  
然后，Sec-WebSocket-Accept 这个则是经过服务器确认，并且加密过后的 Sec-WebSocket-Key。服务器：**好啦好啦，知道啦，给你看我的ID CARD来证明行了吧。。**  
后面的，Sec-WebSocket-Protocol 则是表示最终使用的协议。

至此，HTTP已经完成它所有工作了，接下来就是完全按照Websocket协议进行了。  
具体的协议就不在这阐述了。  
\------------------技术解析部分完毕------------------

![Center 1][]

你TMD又BBB了这么久，那到底Websocket有什么鬼用，http long poll，或者ajax轮询不都可以实现实时信息传递么。

![Center 2][]

好好好，年轻人，那我们来讲一讲Websocket有什么用。  
来给你吃点胡（苏）萝（丹）卜（红）  
![Center 3][]

**三、Websocket的作用**  
在讲Websocket之前，我就顺带着讲下 long poll 和 ajax轮询 的原理。  
首先是 ajax轮询 ，ajax轮询 的原理非常简单，让浏览器隔个几秒就发送一次请求，询问服务器是否有新信息。  
场景再现：  
客户端：啦啦啦，有没有新信息(Request)  
服务端：没有（Response）  
客户端：啦啦啦，有没有新信息(Request)  
服务端：没有。。（Response）  
客户端：啦啦啦，有没有新信息(Request)  
服务端：你好烦啊，没有啊。。（Response）  
客户端：啦啦啦，有没有新消息（Request）  
服务端：好啦好啦，有啦给你。（Response）  
客户端：啦啦啦，有没有新消息（Request）  
服务端：。。。。。没。。。。没。。。没有（Response） ---- loop

long poll  
long poll 其实原理跟 ajax轮询 差不多，都是采用轮询的方式，不过采取的是阻塞模型（一直打电话，没收到就不挂电话），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。直到有消息才返回，返回完之后，客户端再次建立连接，周而复始。  
场景再现  
客户端：啦啦啦，有没有新信息，没有的话就等有了才返回给我吧（Request）  
服务端：额。。 等待到有消息的时候。。来 给你（Response）  
客户端：啦啦啦，有没有新信息，没有的话就等有了才返回给我吧（Request） -loop

从上面可以看出其实这两种方式，都是在不断地建立HTTP连接，然后等待服务端处理，可以体现HTTP协议的另外一个特点，**被动性**。  
何为被动性呢，其实就是，服务端不能主动联系客户端，只能有客户端发起。  
简单地说就是，服务器是一个很懒的冰箱（这是个梗）（不会、不能主动发起连接），但是上司有命令，如果有客户来，不管多么累都要好好接待。

说完这个，我们再来说一说上面的缺陷（原谅我废话这么多吧OAQ）  
从上面很容易看出来，不管怎么样，上面这两种都是非常消耗资源的。  
ajax轮询 需要服务器有很快的处理速度和资源。（速度）  
long poll 需要有很高的并发，也就是说同时接待客户的能力。（场地大小）  
所以ajax轮询 和long poll 都有可能发生这种情况。

**客户端：啦啦啦啦，有新信息么？  
服务端：月线正忙，请稍后再试（503 Server Unavailable）  
客户端：。。。。好吧，啦啦啦，有新信息么？  
服务端：月线正忙，请稍后再试（503 Server Unavailable）  
  
客户端：![Center 4][]**

**然后服务端在一旁忙的要死：冰箱，我要更多的冰箱！更多。。更多。。（我错了。。这又是梗。。）**

\--------------------------  
**言归正传，我们来说Websocket吧**  
通过上面这个例子，我们可以看出，这两种方式都不是最好的方式，需要很多资源。  
一种需要更快的速度，一种需要更多的'电话'。这两种都会导致'电话'的需求越来越高。  
哦对了，忘记说了HTTP还是一个无状态协议。（感谢评论区的各位指出OAQ）  
通俗的说就是，服务器因为每天要接待太多客户了，是个**健忘鬼**，你一挂电话，他就把你的东西全忘光了，把你的东西全丢掉了。你第二次还得再告诉服务器一遍。

所以在这种情况下出现了，Websocket出现了。  
他解决了HTTP的这几个难题。  
首先，**被动性**，当服务器完成协议升级后（HTTP->Websocket），服务端就可以主动推送信息给客户端啦。  
所以上面的情景可以做如下修改。  
客户端：啦啦啦，我要建立Websocket协议，需要的服务：chat，Websocket协议版本：17（HTTP Request）  
服务端：ok，确认，已升级为Websocket协议（HTTP Protocols Switched）  
客户端：麻烦你有信息的时候推送给我噢。。  
服务端：ok，有的时候会告诉你的。  
服务端：balabalabalabala  
服务端：balabalabalabala  
服务端：哈哈哈哈哈啊哈哈哈哈  
服务端：笑死我了哈哈哈哈哈哈哈

就变成了这样，只需要经过**一次HTTP请求**，就可以做到源源不断的信息传送了。（在程序设计中，这种设计叫做回调，即：你有信息了再来通知我，而不是我傻乎乎的每次跑来问你）  
这样的协议解决了上面同步有延迟，而且还非常消耗资源的这种情况。  
那么为什么他会解决服务器上消耗资源的问题呢？  
其实我们所用的程序是要经过两层代理的，即**HTTP协议在Nginx等服务器的解析下**，然后再传送给相应的**Handler（PHP等）**来处理。  
简单地说，我们有一个非常快速的接**线员（Nginx）**，他负责把问题转交给相应的**客服（Handler）**。  
本身**接线员基本上速度是足够的**，但是每次都卡在**客服（Handler）**了，老有**客服**处理速度太慢。，导致客服不够。  
Websocket就解决了这样一个难题，建立后，可以直接跟接线员建立持**久连接**，有信息的时候客服想办法通知接线员，然后**接线员**在统一转交给客户。  
这样就可以解决客服处理速度过慢的问题了。

同时，在传统的方式上，要不断的建立，关闭HTTP协议，由于HTTP是非状态性的，每次都要 **重新传输identity info（鉴别信息）**，来告诉服务端你是谁。  
虽然接线员很快速，但是每次都要听这么一堆，效率也会有所下降的，同时还得不断把这些信息转交给客服，不但浪费客服的 **处理时间**，而且还会在网路传输中消耗 **过多的流量/时间。**  
但是Websocket只需要 **一次HTTP握手，所以说整个通讯过程是建立在一次连接/状态中**，也就避免了HTTP的非状态性，服务端会一直知道你的信息，直到你关闭请求，这样就解决了接线员要反复解析HTTP协议，还要查看identity info的信息。  
同时由 **客户主动询问**，转换为 **服务器（推送）有信息的时候就发送（当然客户端还是等主动发送信息过来的。。）**，没有信息的时候就交给接线员（Nginx），不需要占用本身速度就慢的 **客服（Handler）**了  
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至于怎么在不支持Websocket的客户端上使用Websocket。。答案是： **不能**  
但是可以通过上面说的 long poll 和 ajax 轮询来 **模拟出类似的效果**  
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