WebSocket --为什么引入WebSocket协议

Browser已经支持http协议，为什么还要开发一种新的WebSocket协议呢？我们知道http协议是一种单向的网络协议，在建立连接后，它只允许Browser/UA（UserAgent）向WebServer发出请求资源后，WebServer才能返回相应的数据。而WebServer不能主动的推送数据给Browser/UA，当初这么设计http协议也是有原因的，假设WebServer能主动的推送数据给Browser/UA，那Browser/UA就太容易受到攻击，一些广告商也会主动的把一些广告信息在不经意间强行的传输给客户端，这不能不说是一个灾难。那么单向的http协议给现在的网站或Web应用程序开发带来了哪些问题呢？

让我们来看一个案例，现在假设我们想开发一个基于Web的应用程序去获取当前Web服务器的实时数据，例如股票的实时行情，火车票的剩余票数等等，这就需要Browser/UA与WebServer端之间反复的进行http通信，Browser不断的发送Get请求，去获取当前的实时数据。下面介绍几种常见的方式：

1.     Polling

这种方式就是通过Browser/UA定时的向Web服务器发送http的Get请求，服务器收到请求后，就把最新的数据发回给客户端（Browser/UA），Browser/UA得到数据后，就将其显示出来，然后再定期的重复这一过程。虽然这样可以满足需求，但是也仍然存在一些问题，例如在某段时间内Web服务器端没有更新的数据，但是Browser/UA仍然需要定时的发送Get请求过来询问，那么Web服务器就把以前的老数据再传送过来，Browser/UA把这些没有变化的数据再显示出来，这样显然既浪费了网络带宽，又浪费了CPU的利用率。如果说把Browser发送Get请求的周期调大一些，就可以缓解这一问题，但是如果在Web服务器端的数据更新很快时，这样又不能保证Web应用程序获取数据的实时性。

2.     Long Polling

上面介绍了Polling遇到的问题，现在介绍一下LongPolling，它是对Polling的一种改进。

Browser/UA发送Get请求到Web服务器，这时Web服务器可以做两件事情，第一，如果服务器端有新的数据需要传送，就立即把数据发回给Browser/UA，Browser/UA收到数据后，立即再发送Get请求给Web Server；第二，如果服务器端没有新的数据需要发送，这里与Polling方法不同的是，服务器不是立即发送回应给Browser/UA，而是把这个请求保持住，等待有新的数据到来时，再来响应这个请求；当然了，如果服务器的数据长期没有更新，一段时间后，这个Get请求就会超时，Browser/UA收到超时消息后，再立即发送一个新的Get请求给服务器。然后依次循环这个过程。

这种方式虽然在某种程度上减小了网络带宽和CPU利用率等问题，但是仍然存在缺陷，例如假设服务器端的数据更新速率较快，服务器在传送一个数据包给Browser后必须等待Browser的下一个Get请求到来，才能传递第二个更新的数据包给Browser，那么这样的话，Browser显示实时数据最快的时间为2×RTT（往返时间），另外在网络拥塞的情况下，这个应该是不能让用户接受的。另外，由于http数据包的头部数据量往往很大（通常有400多个字节），但是真正被服务器需要的数据却很少（有时只有10个字节左右），这样的数据包在网络上周期性的传输，难免对网络带宽是一种浪费。

通过上面的分析可知，要是在Browser能有一种新的网络协议，能支持客户端和服务器端的双向通信，而且协议的头部又不那么庞大就好了。WebSocket就是肩负这样一个使命登上舞台的。

　　WebSocket协议是一种双向通信协议，它建立在TCP之上，同http一样通过TCP来传输数据，但是它和http最大的不同有两点：1.WebSocket是一种双向通信协议，在建立连接后，WebSocket服务器和Browser/UA都能主动的向对方发送或接收数据，就像Socket一样，不同的是WebSocket是一种建立在Web基础上的一种简单模拟Socket的协议；2.WebSocket需要通过握手连接，类似于TCP它也需要客户端和服务器端进行握手连接，连接成功后才能相互通信。

下面是一个简单的建立握手的时序图：

这里简单说明一下WebSocket握手的过程。

当Web应用程序调用new WebSocket(url)接口时，Browser就开始了与地址为url的WebServer建立握手连接的过程。

1.     Browser与WebSocket服务器通过TCP三次握手建立连接，如果这个建立连接失败，那么后面的过程就不会执行，Web应用程序将收到错误消息通知。

2.     在TCP建立连接成功后，Browser/UA通过http协议传送WebSocket支持的版本号，协议的字版本号，原始地址，主机地址等等一些列字段给服务器端。

例如：

1. GET /chat HTTP/1.1
2. Host: server.example.com
3. Upgrade: websocket
4. Connection: Upgrade
5. Sec-WebSocket-Key:dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
6. Origin: http://example.com
7. Sec-WebSocket-Protocol: chat,superchat
8. Sec-WebSocket-Version: 13

3.     WebSocket服务器收到Browser/UA发送来的握手请求后，如果数据包数据和格式正确，客户端和服务器端的协议版本号匹配等等，就接受本次握手连接，并给出相应的数据回复，同样回复的数据包也是采用http协议传输。

1. HTTP/1.1 101 Switching Protocols
2. Upgrade: websocket
3. Connection: Upgrade
4. Sec-WebSocket-Accept:s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
5. Sec-WebSocket-Protocol: chat

4.     Browser收到服务器回复的数据包后，如果数据包内容、格式都没有问题的话，就表示本次连接成功，触发onopen消息，此时Web开发者就可以在此时通过send接口想服务器发送数据。否则，握手连接失败，Web应用程序会收到onerror消息，并且能知道连接失败的原因。

　　WebSocket与http协议一样都是基于TCP的，所以他们都是可靠的协议，Web开发者调用的WebSocket的send函数在browser的实现中最终都是通过TCP的系统接口进行传输的。WebSocket和Http协议一样都属于应用层的协议，那么他们之间有没有什么关系呢？答案是肯定的，WebSocket在建立握手连接时，数据是通过http协议传输的，正如我们上一节所看到的“GET/chat HTTP/1.1”，这里面用到的只是http协议一些简单的字段。但是在建立连接之后，真正的数据传输阶段是不需要http协议参与的。

具体关系可以参考下图：

TCP、UDP、HTTP、SOCKET、WebSocket之间的区别

TCP/IP协议栈主要分为四层:应用层、传输层、网络层、数据链路层, 
每层都有相应的协议，如下图

IP：

网络层协议；（高速公路）

TCP和UDP：

传输层协议；（卡车）

HTTP：

应用层协议；（货物）。HTTP(超文本传输协议)是利用TCP在两台电脑(通常是Web服务器和客户端)之间传输信息的协议。客户端使用Web浏览器发起HTTP请求给Web服务器，Web服务器发送被请求的信息给客户端。

SOCKET：

套接字，TCP/IP网络的API。(港口码头/车站)Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。

TCP/IP：

代表传输控制协议/网际协议，指的是一系列协议，TCP/IP 模型在 OSI 模型的基础上进行了简化，变成了四层，从下到上分别为：网络接口层、网络层、传输层、应用层。与 OSI 体系结构对比如下： 

TCP/UDP区别：

TCP

（传输控制协议，Transmission Control Protocol）：(类似打电话) 
面向连接、传输可靠（保证数据正确性）、有序（保证数据顺序）、传输大量数据（流模式）、速度慢、对系统资源的要求多，程序结构较复杂， 
每一条TCP连接只能是点到点的， 
TCP首部开销20字节。

UDP

(用户数据报协议，User Data Protocol)：（类似发短信） 
面向非连接 、传输不可靠（可能丢包）、无序、传输少量数据（数据报模式）、速度快，对系统资源的要求少，程序结构较简单 ， 
UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信， 
UDP的首部开销小，只有8个字节。

tcp三次握手建立连接：

第一次握手：客户端发送syn包(seq=x)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认； 
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=x+1），同时自己也发送一个SYN包（seq=y），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态； 
第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=y+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。 
握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前，TCP 连接都将被一直保持下去。

主机A向主机B发出连接请求数据包：“我想给你发数据，可以吗？”，这是第一次对话； 
主机B向主机A发送同意连接和要求同步（同步就是两台主机一个在发送，一个在接收，协调工作）的数据包：“可以，你什么时候发？”，这是第二次对话； 
主机A再发出一个数据包确认主机B的要求同步：“我现在就发，你接着吧！”，这是第三次对话。 
三次“对话”的目的是使数据包的发送和接收同步，经过三次“对话”之后，主机A才向主机B正式发送数据。

Websocket

Websocket协议解决了服务器与客户端全双工通信的问题。

注:什么是单工、半双工、全工通信？ 
信息只能单向传送为单工； 
信息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工； 
信息能够同时双向传送则称为全双工。

websocket协议解析 
wensocket协议包含两部分:一部分是“握手”，一部分是“数据传输”。

WebSocket和Socket区别

可以把WebSocket想象成HTTP(应用层)，HTTP和Socket什么关系，WebSocket和Socket就是什么关系。

HTTP 协议有一个缺陷：通信只能由客户端发起，做不到服务器主动向客户端推送信息。

WebSocket 协议在2008年诞生，2011年成为国际标准。所有浏览器都已经支持了。 
它的最大特点就是，服务器可以主动向客户端推送信息，客户端也可以主动向服务器发送信息，是真正的双向平等对话，属于服务器推送技术的一种。

参考：

揭开Socket编程的面纱

图解TCP-IP协议

Android 进阶12：进程通信之 Socket （顺便回顾 TCP UDP）

WebSocket与TCP/IP

websocket 历史及使用详解

WebSocket 教程