小菜学网络之WebSocket协议

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小菜学网络之WebSocket协议

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IT168

https://net.it168.com/a2025/0213/6877/000006877425.shtml

WebSocket协议是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议，它允许服务器主动向客户端推送数据，解决了HTTP协议只能由客户端发起请求的局限性。WebSocket协议广泛应用于实时通信场景，如在线聊天、实时数据更新等。本文将详细介绍WebSocket协议的基本概念、工作原理和数据帧结构。

WebSocket协议简介

Web应用通常采用HTTP协议进行通信：客户端向服务器发送HTTP请求，服务器对请求进行处理后，向客户端回复HTTP响应。换句话说，HTTP协议只能由客户端主动发起请求，服务器被动进行响应。

然而，不少应用场景要求服务器主动向客户端进行推送，这时HTTP协议就显得捉襟见肘了。例如，为了实现Web聊天室功能，当新消息到达时，服务器必须向客户端推送通知。如果只使用HTTP协议，就必须在客户端做轮询。

轮询存在一个致命缺陷：性能较差。如果轮询频率很高，服务器要消耗很多资源；但如果控制轮询频率，应用消息通知的实时性又会大打折扣。

显然，服务器主动向客户端推送数据是一个非常常见的应用场景，最好能从网络协议层面进行支持。为此，计算机网络先驱们设计了WebSocket协议。

WebSocket协议，顾名思义为Web应用引入了套接字（socket）通信能力。WebSocket是一种应用层协议，以TCP为底层传输协议，为通信双方提供了一个全双工的信道。

为了兼容Web主流应用协议HTTP，WebSocket复用80和443端口，并使用HTTP请求来建立连接（配合Upgrade头部）。因此，WebSocket可以兼容现有的HTTP代理和中间件，例如Nginx。

WebSocket协议的关键概念

URL

和HTTP协议一样，WebSocket服务器地址也用URL表示，只是协议部分为ws或wss。例如：

连接建立

客户端先通过TCP协议连到服务器，然后通过TCP连接向服务器发送HTTP请求。请注意，HTTP请求头中要带Upgrade头部，告诉服务器将连接升级到WebSocket协议：

服务器接到请求后，检查Upgrade头部，发现客户端想将连接协议升级到WebSocket。如果应用服务器支持WebSocket，它便回复101状态码，表示同意切换协议：

HTTP请求和响应交互完毕后，通信双方就可以在TCP连接上互相发送WebSocket报文了。

数据帧

连接建好后，通信双方就可以用WebSocket协议来发送数据了。WebSocket将数据组织成一系列帧（frame）来传输，一条应用层消息可以封装成一个或多个数据帧。数据帧报文结构如下所示：

标志位，占4位，每个标识占一位；
FIN：表示是否是最后一个数据帧；
RSV1、RSV2和RSV3：保留位，目前未使用；
Opcode：操作码，表示数据帧的类型；
0：这是前面数据帧的续帧（一个消息封装成多个帧时）；
1：表示这是一个文本帧；
2：表示这是一个二进制（binary）帧；
3~7：保留，未来可以分配给新的非控制（non-control）帧；
8：表示这是一个连接关闭（close）帧；
9：表示这是一个ping帧；
10：表示这是一个pong帧；
11~15：保留，未来可以分配给新的控制（control）帧；
MASK位：表示承载数据（payload data）是否做掩码处理，1表示掩码处理，0表示不做掩码处理（客户端发的帧必须做掩码处理，主要出于避免网络中间件混淆和安全上的考虑）；
数据长度（payload len）：占7位，用来表示数据负载的长度（以字节为单位）；
该字段小于126时，该字段直接表示数据长度，其后的扩展字段为空（0字节），可表示0~125字节的数据；
当该字段等于126时，数据长度由其后的扩展字段表示，这是扩展字段为2字节，可表示长度为126~65535字节的数据；
扩展数据长度（extended payload len）：占用0、2或8字节，由前一个字段决定；
掩码Key（masking key）：数据帧开启掩码处理时（MASK=1）才有，占用4个字节，用于掩码计算；
承载数据（payload data）：即数据帧承载的应用层数据；