浅谈WebSocket
浅谈WebSocket
在我们日常访问一些网站的时候，我们会点击某个页面，或是点击某个板块，才出现对应的信息。
但是后端有数据更新了，我们需要查看实时的数据的话，此时，需要刷新操作，来重新获取后端返回的数据。
一些普通的网站还好，像一些实时性较强的，比如一些网页游戏、股票网站之类的，难道我们想获取数据，就一直刷新页面吗？显然是不适合的！所以为了解决这个问题，WebSocket协议应运而生。
什么是WebSocket协议？
WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议，它由HTML5规范定义，允许客户端和服务器之间
进行双向、实时、低延迟的数据交换。
与传统的HTTP不同，HTTP是客户端发出请求，服务端做出相应，一问一答是形式，而WebSocket在建立连接后，客户端和服务器可以任意时刻互相发送数据，而无需重复建立连接，极大程度下，减少了通信开销。
那么要是WebSocket没有出现之前，没有办法实现实时通信了吗？
显然不是，还是有一些办法的，比如：
1.轮询（polling）：客户端定时发送服务器发送请求，询问是否有新数据
2.长轮询（Long polling）：客户端发送请求后，服务端保持长时间连接直到有新数据或是连接超时
3.SSE（Server-Sent-Events）：服务器主动单向发送数据到客户端，但仅支持文本
WebSocket的连接建立：握手过程
WebSocket连接建立始于一个HTTP升级请求，这个过程称之为"握手"。
1.客户端发起请求
客户端通过HTTP发送一个包含特殊请求头信息的请求
举例：
Java |
Upgrade ： websocket：表示希望升级到WebSocket协议
Connection ： Upgrade：表示当前连接需要升级
Sec-WebSocket-Key：客户端随机生成的Base64的编码字符串，用于安全验证
Sec-WebSocket-Version：表示WebSocket当前的版本
Origin：请求来源
2.服务端响应握手
如若，服务端支持WebSocket，会返回一个101状态码
Java |
其中的Sec-WebSocket-Accept 是服务器根据客户端的Sec-WebSocket-Key计算得出来的值
计算方式为：
- 将 Sec-WebSocket-Key 与某一固定字符串 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 拼接。
- 对拼接结果进行 SHA-1 哈希。
- 将哈希结果进行 Base64 编码。
握手成功后，TCP连接将不再传输HTTP数据，而是进入WebSocket通信模式。
WebSocket的报文格式
WebSocket数据以“帧”（Frame）形式传输，一个消息可以由多个帧组成，每个帧都有固定的二进制结构
如图所示：
图片来源：https://www.timefly.cn/learn-websocket-protocol-2/
字段解释：
字段 | 长度 | 说明 |
FIN | 1bit | 是否是消息的最后一个帧。1表示完整消息或是最后一片 |
RSV1/2/3 | 1bit | 扩展保留位 |
Opcode | 4bits | 操作码，定义帧类型：• 0x0：延续帧（Continuation）• 0x1：文本帧（UTF-8 编码）• 0x2：二进制帧• 0x8：关闭连接（Close）• 0x9：Ping • 0xA：Pong |
MASK | 4bit | 是否启用掩码，此时客户端发送的帧必须为1，服务器发送的帧为0 |
PayLoad Length | 7bit | 有效载荷长度： 0–125：直接表示 126：后接 2 字节（16 位） 127：后接 8 字节（64 位）长度 |
Extended payLoad length | 0/2/8 bytes | 根据PayLoad len 决定是否出现 |
Masking-key | 4bytes | 当Mask=1时存在，用于XOR解码 payload Data |
Payload Data | 变长 | 实际数据内容 |
既然WebSocket是一个长连接，需要网络一直保持畅通状态，但网络状态变化又有多种原因。那么又是如何检测连接是否存活呢？
Ping/Pong 心跳机制：保持连接活跃
大致工作原理：
1.任意一方（通常是服务器）可以发送一个Ping帧（Opcode=0x9）
2.接收方必须立即回复一个Pong帧（Opcode=OxA），内容与Ping帧相同。
3.如若长时间没有收到Pong，可以认为连接已经断开
消息分片
传输的数据过多的话，可以拆分为多个帧进行传输
第一帧：FIN=0，Opcode=0x1 或0x2
中间帧：FIN=0，Opcode=0x0（延续帧）
最后一帧：FIN=1，Opcode=0x0
这也允许流式传输大文件和音视频教程
连接关闭流程
关闭连接通过Close帧（Opcode=0x8）完成
一方发送close帧（可带状态码和原因）
另一方收到后应答close帧
双方关闭TCP连接
常见状态码：
- 1000：正常关闭
- 1001：服务端重启
- 1003：不支持的数据类型
- 1007：无效数据（如非 UTF-8）
- 1011：服务器内部错误
Websocket典型应用场景
- 实时聊天室 / IM 系统
- 股票/加密货币行情推送
- 多人在线游戏
- 实时数据监控与可视化
- 协同编辑（如 Google Docs、飞书）
- IoT 设备远程控制
- 实时通知系统