WebSocket 是什麼原理?為什麼可以實現持久連線?

架構師老盧發表於2023-11-30

WebSocket 是一種用於實現持久連線的通訊協議,它的原理和工作方式相對複雜,但我們可以嘗試以儘可能簡單和清晰的方式來解釋它。

WebSocket 的原理

在理解 WebSocket 的工作原理之前,我們首先要了解 HTTP 協議的短連線性質。在傳統的 HTTP 通訊中,客戶端傳送一個請求到伺服器,伺服器響應後就關閉連線,這導致了每個請求都需要建立和關閉連線,而這些連線的建立和關閉會消耗網路資源和時間。

WebSocket 的原理是在 HTTP 協議上建立一種全雙工的通訊方式,使得客戶端和伺服器之間可以建立一次連線,然後保持這個連線的開放狀態,而不需要在每次通訊後關閉連線。這種持久連線使得伺服器可以主動向客戶端推送資料,而不需要等待客戶端的請求。

WebSocket 的工作過程

下面是 WebSocket 的工作過程,包括握手階段和通訊階段:

握手階段

a. 客戶端發起一個 HTTP 請求,請求升級到 WebSocket 協議。這個請求包含了一些特殊的頭資訊,表明客戶端希望建立 WebSocket 連線。

b. 伺服器收到這個請求後,會進行升級協議的操作,如果支援 WebSocket,它將回復一個 HTTP 101 狀態碼,表示成功升級到 WebSocket 協議。

c. 一旦協議升級完成,客戶端和伺服器之間的連線就變成了全雙工,保持開放狀態,可以雙向通訊。

通訊階段

a. 客戶端和伺服器可以互相傳送訊息,這些訊息都是以幀(frames)的形式進行傳輸,而不是傳統的 HTTP 請求和響應。

b. 伺服器可以主動向客戶端推送訊息,而客戶端也可以主動向伺服器傳送訊息。這種雙向通訊在實時性要求高的應用中非常有用,比如線上聊天、股票市場資料推送等。

關閉連線

a. 當雙方中的一方決定關閉連線時,它會傳送一個關閉幀,通知另一方關閉連線。

b. 另一方收到關閉幀後,也會回覆一個關閉幀,然後雙方都關閉連線。

為什麼 WebSocket 可以實現持久連線?

WebSocket 可以實現持久連線的原因有以下幾點:

協議支援:WebSocket 是一種專門設計用於實現持久連線的協議,與傳統的 HTTP 不同。HTTP 是一種請求-響應協議,每次請求後都會關閉連線。WebSocket 則建立在一次握手之後,保持連線開放狀態,允許雙向通訊。

資源節約:傳統的 HTTP 建立和關閉連線會消耗網路資源和時間。WebSocket 的持久連線避免了這種開銷,因此更適用於實時通訊的場景。

實時性:在某些應用中,特別是需要實時性的應用,WebSocket 的持久連線允許伺服器主動向客戶端推送資料,而不需要等待客戶端的請求。這對於線上聊天、實時遊戲、股票市場資料等應用非常重要。

WebSocket 的示例程式碼

下面是一個簡單的 WebSocket 示例,使用 Node.js 來建立一個 WebSocket 伺服器和一個 WebSocket 客戶端:

WebSocket 伺服器示例(Node.js)

const WebSocket = require('ws');

const wss = new WebSocket.Server({ port: 8080 });

wss.on('connection', (ws) => {
  console.log('Client connected');

  ws.on('message', (message) => {
    console.log(`Received: ${message}`);
    ws.send(`You sent: ${message}`);
  });

  ws.on('close', () => {
    console.log('Client disconnected');
  });
});

WebSocket 客戶端示例(Node.js)

const WebSocket = require('ws');

const ws = new WebSocket('ws://localhost:8080');

ws.on('open', () => {
  console.log('Connected to server');
  ws.send('Hello, server!');
});

ws.on('message', (message) => {
  console.log(`Received from server: ${message}`);
});

ws.on('close', () => {
  console.log('Disconnected from server');
});

在這個示例中,伺服器和客戶端都使用了 Node.js 的 ws 模組來建立 WebSocket 連線。伺服器監聽在埠 8080 上,當客戶端連線時,會在伺服器端和客戶端之間建立雙向通訊。伺服器接收來自客戶端的訊息,然後將訊息返回給客戶端。

這個示例展示了 WebSocket 的簡單用法,但它可以用作更復雜的實時通訊應用的基礎。WebSocket 的持久連線特性使其成為實時性要求高的應用的理想選擇,如線上聊天、實時遊戲、資料監控等。