websocket的原理及作用是什么

首先我们看一下websocket的出现背景，我们知道http系列协议是建立在tcp上的，理论上，他是可以可以双向通信的。但是http1.1之前，服务器没有实现推送的功能。每次都是客户端请求，服务器响应。下面看一下http协议关于请求处理的发展。

1. http1.0的时候，一个http请求的生命周期是客户端发起请求，服务器响应，断开连接。但是我们知道tcp协议的缺点就是，三次握手需要时间，再加上慢开始等特性，每一个http请求都这样的话，效率就很低。

2. http1.1的时候，默认开启了长连接（客户端请求中设置了keep-alive头），服务器处理一个请求后，不会立刻关闭连接，而是会等待一定的时间。如果没有请求才关闭连接。这样浏览器不仅可以在一个tcp连接中，不断地发送请求（服务器也会限制一个连接上可以处理的请求阈值），甚至可以一次发很多个请求。这就是http1.1的管道化（pipeline）技术。但是他也有个问题，因为对于基于http协议的客户端来说，虽然他可以发很多请求出去，但是当一个请求对于的回包回来时，他却无法分辨是属于哪个请求的。所以回包只能按请求顺序返回，这就引来了另一个问题-线头阻塞(Head-of-Link Blocking)。并且http1.1虽然支持长连接，但是他不支持服务端推送（push）的能力。如果服务器有数据要给客户端，也只能等着客户端来取（pull）。

3. 来到了http2.0，不仅实现了服务器推送，还使用了帧（iframe），流（stream）等技术解决了线头阻塞的问题，http2.0在一个tcp连接中，可以同时发送多个http请求，每个请求是一个流，一个流可以分成很多帧，有了标记号，服务器可以随便发送回包，客户端收到后，根据标记，重新组装就可以。

   以上是http协议的关于请求的一些发展，而websocket就服务端推送提供了另外一种解决方案。他本质上是在tcp协议上封装的另一种应用层协议（websocket协议）。因为他是基于tcp的，所以服务端推送自然不是什么难题。但是在实现上，他并不是直接连接一个tcp连接，然后在上面传输基于websocket协议的数据包。他涉及到一个协议升级（交换）的过程。我们看看这个过程。

1 客户端发送协议升级的请求。在http请求加上下面的http头

Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits
Sec-WebSocket-Key: k1kbxGRqGIBD5Y/LdIFwGQ==
Sec-WebSocket-Version: 13
Upgrade: websocket

2 服务器如果支持websocket协议的话，会返回101状态码表示同意协议升级，并且支持各种配置（如果服务器不支持某些功能或版本，或告诉客户端，客户端可以再次发送协议升级的请求）。服务会返回形如下面的http头（可以参考websocket协议)。

Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: y73KZR4t+hqD6KKYbkx2tULfBsQ=
Upgrade: websocket

3 这样就完成了协议的升级，后续的数据通信，就是基于tcp连接之上，使用websocket协议封装的数据包。

下面我们通过wireshark来了解这个过程。首先我们启动一个服务器（ip：192.168.8.226）。

var http = require('http');
var fs = require('fs');
const WebSocket = require('ws');
// 如果在浏览器控制台进行测试，可以不起http服务器
const server = http.createServer(options,function(req,res){
    res.end(fs.readFileSync(`${__dirname}/websocket.html`));
}).listen(11111);

const wss = new WebSocket.Server({ server }); 
wss.on('connection', function connection(ws) {
  ws.on('message', function(message) {
    ws.send(message);
  });

  ws.send('get it');
});

我们可以直接在浏览器控制台进行测试

var ws = new WebSocket("ws://192.168.8.226:11111");
// 连接上后执行
ws.send(11)

这时候，我们看看wireshark的包。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

我们再来看看安全版本的websocket。我们启动一个https服务器。

var https = require('https');
var fs = require('fs');
const WebSocket = require('ws');

var options = {
    key: fs.readFileSync('./server-key.pem'),
    ca: [fs.readFileSync('./ca-cert.pem')],
    cert: fs.readFileSync('./server-cert.pem')
};

const server = https.createServer(options,function(req,res){
    res.end(fs.readFileSync(`${__dirname}/websocket.html`));
}).listen(11111);

const wss = new WebSocket.Server({ server });

wss.on('connection', function connection(ws) {
  ws.on('message', function(message) {
    ws.send(message);
  });
});

然后在浏览器控制台执行。

var ws = new WebSocket("wss://192.168.8.226:11111");
ws.sned(11);

然后来看看wireshark。

 

经过一系列的分析，我们对websocket协议应该有了更多的了解，最后再说一个关于websocket的点。我们发现如果在websocket连接上，一直不通信的话，websocket连接所维持的时间是依赖tcp实现的。因为我们发现tcp层会一直发送探测包。达到阈值之后，连接就会被断开。所以我们想维持websocket连接的话，需要自己去发送心跳包，比如ping，pong。

总结：本文分析了websocket的基本原理，但不涉及协议的内容，如需了解协议的内容，可以参考rfc文档。