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1、概念
WebSocket是一种革命性的网络通信协议，旨在解决传统 HTTP 协议在实现实时、双向、全双工通信方面的局限性。
HTTP的痛点：
单向性： 传统 HTTP 是请求-响应模型。客户端（如浏览器）必须主动发起请求，服务器才能响应。服务器无法主动向客户端推送数据。
无状态性： 每次请求/响应都是独立的，服务器不保留之前请求的上下文（除非使用 Cookie/Session 等机制模拟状态）。
高开销： 每个 HTTP 请求/响应都包含完整的头部信息（Header），即使数据体很小，头部开销也相对较大。对于需要频繁交换小数据包的实时应用（如聊天、游戏），这种开销不可忽视。
延迟： 为了实现“伪实时”（如轮询、长轮询、SSE），客户端需要不断发起请求或保持连接等待，这增加了延迟和服务器负担。
WebSocket的解决方案：
全双工、双向通信： 一旦建立连接，服务器和客户端可以随时、独立地相互发送数据，无需等待对方的请求。这就像在两者之间建立了一条畅通无阻的双向数据管道。
持久连接： 连接建立后，会一直保持打开状态，直到显式关闭。避免了重复建立 TCP 连接的开销（TCP 握手通常需要 1.5 RTT-往返延时）。
低开销： 建立连接后，数据传输的帧（Frame）头部非常小（最小只有 2 字节），特别适合传输小数据量和频繁交互的场景。
低延迟： 由于连接是持久的且双向的，数据可以近乎实时地传递，没有 HTTP 轮询的等待时间。
2、WebSocket工作原理
2.1 握手（Handshake - 基于 HTTP）
整个过程始于一个特殊的 HTTP 请求（通常由客户端发起）。
这个请求包含一个关键的 Header：
Upgrade: websocket，表示客户端希望将连接升级到 WebSocket 协议。另一个关键 Header 是
Sec-WebSocket-Key，包含一个随机的 Base64 编码值。服务器如果支持 WebSocket，会响应一个 HTTP 101 Switching Protocols 状态码。
服务器的响应包含
Sec-WebSocket-AcceptHeader，其值是使用客户端发送的Sec-WebSocket-Key和一个固定的 GUID 经过特定算法（SHA-1 + Base64）计算得出的。这个步骤至关重要，用于验证服务器确实理解 WebSocket 协议，防止恶意脚本或代理错误地建立连接。
握手成功后，底层的 TCP/IP 连接保持不变，但协议从 HTTP 升级为 WebSocket。
2.2 数据传输（Data Framing）
握手成功后，通信切换到 WebSocket 协议。
数据以帧（Frame） 为单位传输。帧有不同的类型：
文本帧： 携带 UTF-8 编码的文本数据。
二进制帧： 携带任意二进制数据（图片、音频、视频、Protobuf 等）。
控制帧： 包括连接关闭 (
Close)、心跳检测 (Ping/Pong) 等管理性帧。
帧结构精简： 一个基本的 WebSocket 帧包含：
FIN(1 bit)： 指示是否是消息的最后一帧（消息可以分片在多帧中传输）。RSV1, RSV2, RSV3(各 1 bit)： 保留位，用于扩展。Opcode(4 bits)： 标识帧类型（文本、二进制、关闭、Ping、Pong 等）。Mask(1 bit)： 指示负载数据是否被掩码（masked）。客户端发送给服务器的帧必须掩码，服务器发送给客户端的帧不能掩码。 这是另一个安全措施。Payload length(7/7+16/7+64 bits)： 指示负载数据的长度（可变长度编码）。Masking-key(0 或 4 bytes)： 如果Mask位为 1，则存在 4 字节的掩码密钥。Payload data(长度由Payload length指定)： 实际传输的数据。如果Mask为 1，需要与Masking-key进行异或运算以还原真实数据。
Ping/Pong 机制： 用于保持连接活跃（心跳检测）和验证对端是否仍然在线。服务器可以发送一个
Ping帧，客户端必须用Pong帧回应（通常自动处理）。反之亦可。
2.3 关闭连接（Closing）
任何一方（客户端或服务器）都可以发起关闭。
发送一个
Close控制帧（包含可选的关闭状态码和原因）。接收方收到
Close帧后，如果之前没发送过Close帧，也应该发送一个Close帧作为回应。双方都发送并接收到
Close帧后，底层 TCP 连接才真正关闭。
3、关键特性和优势
真正的实时性： 极低的通信延迟，服务器消息可以瞬间推送到客户端。
双向通信： 服务器主动推送能力是核心价值。
高效：
一次握手，持久连接，省去重复的 TCP 握手和 HTTP 头开销。
数据传输帧头部极小。
减少带宽消耗： 尤其适用于高频次、小数据量的交互。
减少服务器负载： 相比 HTTP 轮询/长轮询，服务器处理连接的开销显著降低。
支持二进制和文本数据： 应用场景广泛。
基于 TCP： 提供可靠、有序的数据传输（与 UDP 不同）。
与 HTTP 协作： 使用标准端口（80-WS / 443-WSS），易于通过防火墙和代理（虽然某些配置严格的代理可能仍有问题）。
4、主要应用场景
实时聊天应用： 消息的即时发送和接收。
在线协作工具： 文档、白板的实时同步编辑。
多人在线游戏： 玩家位置、动作、状态的实时同步。
金融交易平台： 股票行情、交易订单的实时推送。
体育直播更新： 比分、赛况的即时推送。
物联网： 设备状态的实时监控和控制。
社交媒体的实时通知： 点赞、评论、新粉丝提醒。
带有实时功能的仪表盘： 监控数据（服务器性能、用户行为）的实时可视化。
5、服务器端实现
几乎所有主流后端语言和框架都有成熟的 WebSocket 库/模块：
Node.js:
ws,Socket.IO(封装了 WebSocket 并提供了更多功能如房间、广播、自动重连、降级方案),uWebSockets.js(高性能)Java:
Java API for WebSocket,Spring WebSocket,NettyPython:
websockets,Django Channels,Socket.IO(Python 版)Go:
gorilla/websocket.NET (C#):
System.Net.WebSockets,SignalR(类似 Socket.IO 的抽象层)