WebSocket的底层原理

WebSocket是一种通信协议，它提供了在单个TCP连接上进行全双工通信的能力。WebSocket协议在客户端和服务器之间创建了一个持久连接，这使得数据可以双向传输。它的主要优点是降低了通信延迟，提高了通信效率。下面将详细介绍WebSocket的底层原理。

1. 协议概述

WebSocket协议被设计为一种独立的协议，但它的握手阶段借用了HTTP协议。WebSocket连接的建立过程如下：

1. 握手阶段：客户端发起一个HTTP请求来建立连接，这个请求包含特定的WebSocket字段。
2. 建立连接：服务器收到请求并通过返回特定的响应头来接受连接。
3. 数据传输：连接建立后，客户端和服务器可以通过这个连接互相发送数据包，直到连接关闭。

2. 握手阶段

客户端请求

客户端通过发送一个HTTP请求来发起WebSocket连接。这个请求与普通的HTTP请求类似，但包含了一些额外的头信息，例如：

GET /chat HTTP/1.1
Host: example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Sec-WebSocket-Version: 13

• Upgrade 和 Connection 头字段用于表示请求升级到WebSocket协议。
• Sec-WebSocket-Key 是一个Base64编码的值，用于安全校验。
• Sec-WebSocket-Version 指定WebSocket协议的版本。

服务器响应

服务器收到请求后，会验证请求头信息，并返回如下的响应以建立连接：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

• 101 Switching Protocols 状态码表示协议切换。
• Sec-WebSocket-Accept 是根据客户端的 Sec-WebSocket-Key 生成的一个值，用于校验连接的合法性。

3. 数据传输

数据帧格式

一旦连接建立，数据以帧（Frame）的形式传输。WebSocket的数据帧格式如下：

 0                   1                   2                   3  
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
|F|R|R|R| opcode|M| Payload len |    Extended payload length    |
|I|S|S|S|  (4)  |A|     (7)     |           (16/64)             |
|N|V|V|V|       |S|             |   (if payload len==126/127)   |
| |1|2|3|       |K|             |                               |
+-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - -+
|     Extended payload length continued, if payload len == 127  |
+ - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+
|                               |Masking-key, if MASK set to 1  |
+-------------------------------+-------------------------------+
| Masking-key (continued)       |          Payload Data         |
+-------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - -+
:                     Payload Data continued ...                :
+---------------------------------------------------------------+

• FIN：1 bit，表示这是消息的最后一帧。
• RSV1, RSV2, RSV3：各1 bit，保留位，通常为0。
• Opcode：4 bit，表示数据帧类型（例如文本帧、二进制帧、关闭连接等）。
• Mask：1 bit，表示是否对负载数据进行掩码处理。
• Payload length：7 bit，表示负载数据长度（如果值为126或127，则使用后续字段扩展长度）。
• Masking-key：32 bit，如果Mask位为1，则包含掩码密钥，用于解码数据。
• Payload Data：实际传输的数据。

数据传输过程

• 客户端发送数据：客户端将数据封装成帧，添加掩码并发送给服务器。
• 服务器接收数据：服务器接收数据帧，解析掩码并提取实际数据。
• 服务器发送数据：服务器将数据封装成帧发送给客户端，通常不使用掩码。
• 客户端接收数据：客户端接收数据帧并提取数据。

4. 连接关闭

WebSocket连接可以由客户端或服务器发起关闭。关闭过程如下：

1. 一方发送一个带有关闭帧（Opcode为0x8）的数据帧，包含关闭状态码和可选的关闭原因。
2. 另一方收到关闭帧后，应发送一个关闭帧作为响应，然后关闭连接。

关闭帧的负载数据格式如下：

• 状态码：2字节整数，表示关闭原因。
• 关闭原因：可选的文本数据，解释关闭原因。

5. 总结

WebSocket通过建立在HTTP基础上的握手阶段，实现了客户端与服务器之间的持久连接。通过高效的帧格式，WebSocket能够在保持低延迟的同时，进行全双工通信。理解WebSocket的底层原理，有助于开发更高效和可靠的实时通信应用。