(轉)WebSocket的原理

前言：無聊逛知乎，就逛到H5的欄目去了，正好看到了關於Websocket的東西。個人是比較喜歡看這類風格的，轉到部落格分享，以便自己以後理解。

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作者：Ovear
連結：https://www.zhihu.com/question/20215561/answer/40316953

一、WebSocket是HTML5出的東西（協議），也就是說HTTP協議沒有變化，或者說沒關係，但HTTP是不支援持久連線的（長連線，迴圈連線的不算）
首先HTTP有1.1和1.0之說，也就是所謂的keep-alive，把多個HTTP請求合併為一個，但是Websocket其實是一個新協議，跟HTTP協議基本沒有關係，只是為了相容現有瀏覽器的握手規範而已，也就是說它是HTTP協議上的一種補充可以通過這樣一張圖理解

有交集，但是並不是全部。
另外Html5是指的一系列新的API，或者說新規範，新技術。Http協議本身只有1.0和1.1，而且跟Html本身沒有直接關係。。
通俗來說，你可以用HTTP協議傳輸非Html資料，就是這樣=。=
再簡單來說，層級不一樣。

二、Websocket是什麼樣的協議，具體有什麼優點
首先，Websocket是一個持久化的協議，相對於HTTP這種非持久的協議來說。
簡單的舉個例子吧，用目前應用比較廣泛的PHP生命週期來解釋。
1) HTTP的生命週期通過Request來界定，也就是一個Request 一個Response，那麼在HTTP1.0中，這次HTTP請求就結束了。
在HTTP1.1中進行了改進，使得有一個keep-alive，也就是說，在一個HTTP連線中，可以傳送多個Request，接收多個Response。
但是請記住 Request = Response ， 在HTTP中永遠是這樣，也就是說一個request只能有一個response。而且這個response也是被動的，不能主動發起。

教練，你BB了這麼多，跟Websocket有什麼關係呢？
_(:з」∠)_好吧，我正準備說Websocket呢。。
首先Websocket是基於HTTP協議的，或者說借用了HTTP的協議來完成一部分握手。
在握手階段是一樣的
-------以下涉及專業技術內容，不想看的可以跳過lol:，或者只看加黑內容--------
首先我們來看個典型的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的童鞋可能發現了，這段類似HTTP協議的握手請求中，多了幾個東西。
我會順便講解下作用。

Upgrade: websocket
Connection: Upgrade

這個就是Websocket的核心了，告訴Apache、Nginx等伺服器：注意啦，窩發起的是Websocket協議，快點幫我找到對應的助理處理~不是那個老土的HTTP。

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

首先，Sec-WebSocket-Key 是一個Base64 encode的值，這個是瀏覽器隨機生成的，告訴伺服器：泥煤，不要忽悠窩，我要驗證尼是不是真的是Websocket助理。
然後，Sec_WebSocket-Protocol 是一個使用者定義的字串，用來區分同URL下，不同的服務所需要的協議。簡單理解：今晚我要服務A，別搞錯啦~
最後，Sec-WebSocket-Version 是告訴伺服器所使用的Websocket Draft（協議版本），在最初的時候，Websocket協議還在 Draft 階段，各種奇奇怪怪的協議都有，而且還有很多期奇奇怪怪不同的東西，什麼Firefox和Chrome用的不是一個版本之類的，當初Websocket協議太多可是一個大難題。。不過現在還好，已經定下來啦~大家都使用的一個東西~ 脫水：服務員，我要的是13歲的噢→_→

然後伺服器會返回下列東西，表示已經接受到請求， 成功建立Websocket啦！

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

這裡開始就是HTTP最後負責的區域了，告訴客戶，我已經成功切換協議啦~

Upgrade: websocket
Connection: Upgrade

依然是固定的，告訴客戶端即將升級的是Websocket協議，而不是mozillasocket，lurnarsocket或者shitsocket。
然後，Sec-WebSocket-Accept 這個則是經過伺服器確認，並且加密過後的 Sec-WebSocket-Key。伺服器：好啦好啦，知道啦，給你看我的ID CARD來證明行了吧。。
後面的，Sec-WebSocket-Protocol 則是表示最終使用的協議。

至此，HTTP已經完成它所有工作了，接下來就是完全按照Websocket協議進行了。
具體的協議就不在這闡述了。
------------------技術解析部分完畢------------------

你TMD又BBB了這麼久，那到底Websocket有什麼鬼用，http long poll，或者ajax輪詢不都可以實現實時資訊傳遞麼。

好好好，年輕人，那我們來講一講Websocket有什麼用。
來給你吃點胡（蘇）蘿（丹）卜（紅）

三、Websocket的作用
在講Websocket之前，我就順帶著講下 long poll 和 ajax輪詢 的原理。
首先是 ajax輪詢 ，ajax輪詢 的原理非常簡單，讓瀏覽器隔個幾秒就傳送一次請求，詢問伺服器是否有新資訊。
場景再現：
客戶端：啦啦啦，有沒有新資訊(Request)
服務端：沒有（Response）
客戶端：啦啦啦，有沒有新資訊(Request)
服務端：沒有。。（Response）
客戶端：啦啦啦，有沒有新資訊(Request)
服務端：你好煩啊，沒有啊。。（Response）
客戶端：啦啦啦，有沒有新訊息（Request）
服務端：好啦好啦，有啦給你。（Response）
客戶端：啦啦啦，有沒有新訊息（Request）
服務端：。。。。。沒。。。。沒。。。沒有（Response） ---- loop

long poll
long poll 其實原理跟 ajax輪詢 差不多，都是採用輪詢的方式，不過採取的是阻塞模型（一直打電話，沒收到就不掛電話），也就是說，客戶端發起連線後，如果沒訊息，就一直不返回Response給客戶端。直到有訊息才返回，返回完之後，客戶端再次建立連線，周而復始。
場景再現
客戶端：啦啦啦，有沒有新資訊，沒有的話就等有了才返回給我吧（Request）
服務端：額。。 等待到有訊息的時候。。來 給你（Response）
客戶端：啦啦啦，有沒有新資訊，沒有的話就等有了才返回給我吧（Request） -loop

從上面可以看出其實這兩種方式，都是在不斷地建立HTTP連線，然後等待服務端處理，可以體現HTTP協議的另外一個特點，被動性。
何為被動性呢，其實就是，服務端不能主動聯絡客戶端，只能有客戶端發起。
簡單地說就是，伺服器是一個很懶的冰箱（這是個梗）（不會、不能主動發起連線），但是上司有命令，如果有客戶來，不管多麼累都要好好接待。

說完這個，我們再來說一說上面的缺陷（原諒我廢話這麼多吧OAQ）
從上面很容易看出來，不管怎麼樣，上面這兩種都是非常消耗資源的。
ajax輪詢 需要伺服器有很快的處理速度和資源。（速度）
long poll 需要有很高的併發，也就是說同時接待客戶的能力。（場地大小）
所以ajax輪詢 和long poll 都有可能發生這種情況。

客戶端：啦啦啦啦，有新資訊麼？
服務端：月線正忙，請稍後再試（503 Server Unavailable）
客戶端：。。。。好吧，啦啦啦，有新資訊麼？
服務端：月線正忙，請稍後再試（503 Server Unavailable）

客戶端：
然後服務端在一旁忙的要死：冰箱，我要更多的冰箱！更多。。更多。。（我錯了。。這又是梗。。）

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言歸正傳，我們來說Websocket吧
通過上面這個例子，我們可以看出，這兩種方式都不是最好的方式，需要很多資源。
一種需要更快的速度，一種需要更多的'電話'。這兩種都會導致'電話'的需求越來越高。
哦對了，忘記說了HTTP還是一個無狀態協議。（感謝評論區的各位指出OAQ）
通俗的說就是，伺服器因為每天要接待太多客戶了，是個健忘鬼，你一掛電話，他就把你的東西全忘光了，把你的東西全丟掉了。你第二次還得再告訴伺服器一遍。

所以在這種情況下出現了，Websocket出現了。
他解決了HTTP的這幾個難題。
首先，被動性，當伺服器完成協議升級後（HTTP->Websocket），服務端就可以主動推送資訊給客戶端啦。
所以上面的情景可以做如下修改。
客戶端：啦啦啦，我要建立Websocket協議，需要的服務：chat，Websocket協議版本：17（HTTP Request）
服務端：ok，確認，已升級為Websocket協議（HTTP Protocols Switched）
客戶端：麻煩你有資訊的時候推送給我噢。。
服務端：ok，有的時候會告訴你的。
服務端：balabalabalabala
服務端：balabalabalabala
服務端：哈哈哈哈哈啊哈哈哈哈
服務端：笑死我了哈哈哈哈哈哈哈

就變成了這樣，只需要經過一次HTTP請求，就可以做到源源不斷的資訊傳送了。（在程式設計中，這種設計叫做回撥，即：你有資訊了再來通知我，而不是我傻乎乎的每次跑來問你）
這樣的協議解決了上面同步有延遲，而且還非常消耗資源的這種情況。
那麼為什麼他會解決伺服器上消耗資源的問題呢？
其實我們所用的程式是要經過兩層代理的，即HTTP協議在Nginx等伺服器的解析下，然後再傳送給相應的Handler（PHP等）來處理。
簡單地說，我們有一個非常快速的接線員（Nginx），他負責把問題轉交給相應的客服（Handler）。
本身接線員基本上速度是足夠的，但是每次都卡在客服（Handler）了，老有客服處理速度太慢。，導致客服不夠。
Websocket就解決了這樣一個難題，建立後，可以直接跟接線員建立持久連線，有資訊的時候客服想辦法通知接線員，然後接線員在統一轉交給客戶。
這樣就可以解決客服處理速度過慢的問題了。

同時，在傳統的方式上，要不斷的建立，關閉HTTP協議，由於HTTP是非狀態性的，每次都要重新傳輸identity info（鑑別資訊），來告訴服務端你是誰。
雖然接線員很快速，但是每次都要聽這麼一堆，效率也會有所下降的，同時還得不斷把這些資訊轉交給客服，不但浪費客服的處理時間，而且還會在網路傳輸中消耗過多的流量/時間。
但是Websocket只需要一次HTTP握手，所以說整個通訊過程是建立在一次連線/狀態中，也就避免了HTTP的非狀態性，服務端會一直知道你的資訊，直到你關閉請求，這樣就解決了接線員要反覆解析HTTP協議，還要檢視identity info的資訊。
同時由客戶主動詢問，轉換為伺服器（推送）有資訊的時候就傳送（當然客戶端還是等主動傳送資訊過來的。。），沒有資訊的時候就交給接線員（Nginx），不需要佔用本身速度就慢的客服（Handler）了
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至於怎麼在不支援Websocket的客戶端上使用Websocket。。答案是：不能
但是可以通過上面說的 long poll 和 ajax 輪詢來 模擬出類似的效果

 

___努力可能比較累，但是心安