WebSocket是什么原理？为什么可以实现持久连接？

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

<img src="https://pic1.zhimg.com/50/6651f2f811ec133b0e6d7e6d0e194b4c_hd.jpg" data-rawwidth="374" data-rawheight="133" class="content_image" width="374">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------------------

<img src="https://pic4.zhimg.com/50/afe119b52e096016139edabc2dfa9661_hd.jpg" data-rawwidth="161" data-rawheight="187" class="content_image" width="161">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。
<img src="https://pic1.zhimg.com/50/20110e661edb1e93755a99c1d826e264_hd.jpg" data-rawwidth="176" data-rawheight="193" class="content_image" width="176">

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）

<img src="https://pic1.zhimg.com/50/31ddf0cfbeecef21568d85ca60b5f1ff_hd.jpg" data-rawwidth="53" data-rawheight="65" class="content_image" width="53">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：

<img src="https://pic3.zhimg.com/50/7c0cf075c7ee4cc6cf52f4572a4c1c10_hd.jpg" data-rawwidth="143" data-rawheight="50" class="content_image" width="143">
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。。）

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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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_(:з」∠)_两天写了两篇科普类文章。。好累OAQ，求赞。。
对啦，如果有错误，欢迎大家在底下留言指出噢~