WebSocket介绍与原理

websocketprotocol是html5一种新的协议。它实现了浏览器与服务器全双工通信(full-duplex)。一开始的握手需要借助http请求完成。

——百度百科

网站上的即时通讯是很常见的，比如网页的qq，聊天系统等。按照以往的技术能力通常是采用轮询、comet技术解决。

http协议是非持久化的，单向的网络协议，在建立连接后只允许浏览器向服务器发出请求后，服务器才能返回相应的数据。当需要即时通讯时，通过轮询在特定的时间间隔（如1秒），由浏览器向服务器发送request请求，然后将最新的数据返回给浏览器。这样的方法最明显的缺点就是需要不断的发送请求，而且通常httprequest的header是非常长的，为了传输一个很小的数据需要付出巨大的代价，是很不合算的，占用了很多的宽带。

缺点：会导致过多不必要的请求，浪费流量和服务器资源，每一次请求、应答，都浪费了一定流量在相同的头部信息上

然而websocket的出现可以弥补这一缺点。在websocket中，只需要服务器和浏览器通过http协议进行一个握手的动作，然后单独建立一条tcp的通信通道进行数据的传送。

websocket同http一样也是应用层的协议，但是它是一种双向通信协议，是建立在tcp之上的。

websocket在建立握手时，数据是通过http传输的。但是建立之后，在真正传输时候是不需要http协议的。

socket其实并不是一个协议，而是为了方便使用tcp或udp而抽象出来的一层，是位于应用层和传输控制层之间的一组接口。

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。在设计模式中，socket其实就是一个门面模式，它把复杂的tcp/ip协议族隐藏在socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让socket去组织数据，以符合指定的协议。

当两台主机通信时，必须通过socket连接，socket则利用tcp/ip协议建立tcp连接。tcp连接则更依靠于底层的ip协议，ip协议的连接则依赖于链路层等更低层次。

websocket则是一个典型的应用层协议。

socket是传输控制层协议，websocket是应用层协议。

websocketapi是html5标准的一部分，但这并不代表websocket一定要用在html中，或者只能在基于浏览器的应用程序中使用。

实际上，许多语言、框架和服务器都提供了websocket支持，例如：

以下简要介绍一下websocket的原理及运行机制。

websocket是html5一种新的协议。它实现了浏览器与服务器全双工通信，能更好的节省服务器资源和带宽并达到实时通讯，它建立在tcp之上，同http一样通过tcp来传输数据，但是它和http最大不同是：

非websocket模式传统http客户端与服务器的交互如下图所示：

图1.传统http请求响应客户端服务器交互图

使用websocket模式客户端与服务器的交互如下图：

图2.websocket请求响应客户端服务器交互图

上图对比可以看出，相对于传统http每次请求-应答都需要客户端与服务端建立连接的模式，websocket是类似socket的tcp长连接的通讯模式，一旦websocket连接建立后，后续数据都以帧序列的形式传输。在客户端断开websocket连接或server端断掉连接前，不需要客户端和服务端重新发起连接请求。在海量并发及客户端与服务器交互负载流量大的情况下，极大的节省了网络带宽资源的消耗，有明显的性能优势，且客户端发送和接受消息是在同一个持久连接上发起，实时性优势明显。

我们再通过客户端和服务端交互的报文看一下websocket通讯与传统http的不同：

在客户端，newwebsocket实例化一个新的websocket客户端对象，连接类似ws://yourdomain:port/path的服务端websocketurl，websocket客户端对象会自动解析并识别为websocket请求，从而连接服务端端口，执行双方握手过程，客户端发送数据格式类似：

清单1.websocket客户端连接报文

get/webfin/websocket/http/1.1host:localhostupgrade:websocketconnection:upgradesec-websocket-key:xqbt3imnzjbyqrinxeflkg==origin:http://localhost:8080sec-websocket-version:13

可以看到，客户端发起的websocket连接报文类似传统http报文，”upgrade：websocket”参数值表明这是websocket类型请求，“sec-websocket-key”是websocket客户端发送的一个base64编码的密文，要求服务端必须返回一个对应加密的“sec-websocket-accept”应答，否则客户端会抛出“errorduringwebsockethandshake”错误，并关闭连接。

服务端收到报文后返回的数据格式类似：

清单2.websocket服务端响应报文

http/1.1101switchingprotocolsupgrade:websocketconnection:upgradesec-websocket-accept:k7djldlooiwig/mopvwfb3y3fe8=

“sec-websocket-accept”的值是服务端采用与客户端一致的密钥计算出来后返回客户端的,“http/1.1101switchingprotocols”表示服务端接受websocket协议的客户端连接，经过这样的请求-响应处理后，客户端服务端的websocket连接握手成功,后续就可以进行tcp通讯了。

在开发方面，websocketapi也十分简单，我们只需要实例化websocket，创建连接，然后服务端和客户端就可以相互发送和响应消息，在下文websocket实现及案例分析部分，可以看到详细的websocketapi及代码实现。

如上文所述，websocket的实现分为客户端和服务端两部分，客户端（通常为浏览器）发出websocket连接请求，服务端响应，实现类似tcp握手的动作，从而在浏览器客户端和websocket服务端之间形成一条http长连接快速通道。两者之间后续进行直接的数据互相传送，不再需要发起连接和相应。

以下简要描述websocket服务端api及客户端api。

websocket服务端在各个主流应用服务器厂商中已基本获得符合jeejsr356标准规范api的支持，以下列举了部分常见的商用及开源应用服务器对websocketserver端的支持情况：

表1.websocket服务端支持

以下我们使用tomcat7.0.5版本的服务端示例代码说明websocket服务端的实现：

jsr356的websocket规范使用javax.websocket.*的api，可以将一个普通java对象（pojo）使用@serverendpoint注释作为websocket服务器的端点，代码示例如下：

清单3.websocket服务端api示例

@serverendpoint("/echo")publicclassechoendpoint{@onopenpublicvoidonopen(sessionsession)throwsioexception{//以下代码省略...}@onmessagepublicstringonmessage(stringmessage){//以下代码省略...}@message(maxmessagesize=6)publicvoidreceivemessage(strings){//以下代码省略...}@onerrorpublicvoidonerror(throwablet){//以下代码省略...}@onclosepublicvoidonclose(sessionsession,closereasonreason){//以下代码省略...}}

代码解释：

上文的简洁代码即建立了一个websocket的服务端，@serverendpoint("/echo")的annotation注释端点表示将websocket服务端运行在ws://[server端ip或域名]:[server端口]/websockets/echo的访问端点，客户端浏览器已经可以对websocket客户端api发起http长连接了。

使用serverendpoint注释的类必须有一个公共的无参数构造函数，@onmessage注解的java方法用于接收传入的websocket信息，这个信息可以是文本格式，也可以是二进制格式。

onopen在这个端点一个新的连接建立时被调用。参数提供了连接的另一端的更多细节。session表明两个websocket端点对话连接的另一端，可以理解为类似httpsession的概念。

onclose在连接被终止时调用。参数closereason可封装更多细节，如为什么一个websocket连接关闭。

更高级的定制如@message注释，maxmessagesize属性可以被用来定义消息字节最大限制，在示例程序中，如果超过6个字节的信息被接收，就报告错误和连接关闭。

注意：早期不同应用服务器支持的websocket方式不尽相同，即使同一厂商，不同版本也有细微差别，如tomcat服务器7.0.5以上的版本都是标准jsr356规范实现，而7.0.2x/7.0.3x的版本使用自定义api（websocketservlet和streaminbound，前者是一个容器，用来初始化websocket环境；后者是用来具体处理websocket请求和响应，详见案例分析部分），且tomcat7.0.3x与7.0.2x的createwebsocketinbound方法的定义不同，增加了一个httpservletrequest参数，使得可以从request参数中获取更多websocket客户端的信息，如下代码所示：

清单4.tomcat7.0.3x版本websocketapi

publicclassechoservletextendswebsocketservlet{@overrideprotectedstreaminboundcreatewebsocketinbound(stringsubprotocol,httpservletrequestrequest){//以下代码省略....returnnewmessageinbound(){//以下代码省略....}protectedvoidonbinarymessage(bytebufferbuffer)throwsioexception{//以下代码省略...}protectedvoidontextmessage(charbufferbuffer)throwsioexception{getwsoutbound().writetextmessage(buffer);//以下代码省略...}};}}

因此选择websocket的server端重点需要选择其版本，通常情况下，更新的版本对websocket的支持是标准jsr规范api，但也要考虑开发易用性及老版本程序移植性等方面的问题，如下文所述的客户案例，就是因为客户要求统一应用服务器版本所以使用的tomcat7.0.3x版本的websocketservlet实现，而不是jsr356的@serverendpoint注释端点。

对于websocket客户端，主流的浏览器（包括pc和移动终端）现已都支持标准的html5的websocketapi，这意味着客户端的websocketjavascirpt脚本具备良好的一致性和跨平台特性，以下列举了常见的浏览器厂商对websocket的支持情况：

表2.websocket客户端支持

客户端websocketapi基本上已经在各个主流浏览器厂商中实现了统一，因此使用标准html5定义的websocket客户端的javascriptapi即可，当然也可以使用业界满足websocket标准规范的开源框架，如socket.io。

以下以一段代码示例说明websocket的客户端实现：

清单5.websocket客户端api示例

varws=newwebsocket(“ws://echo.websocket.org”);ws.onopen=function(){ws.send(“test!”);};ws.onmessage=function(evt){console.log(evt.data);ws.close();};ws.onclose=function(evt){console.log(“websocketclosed!”);};ws.onerror=function(evt){console.log(“websocketerror!”);};

第一行代码是在申请一个websocket对象，参数是需要连接的服务器端的地址，同http协议开头一样，websocket协议的url使用ws://开头，另外安全的websocket协议使用wss://开头。

第二行到第五行为websocket对象注册消息的处理函数，websocket对象一共支持四个消息onopen,onmessage,onclose和onerror，有了这4个事件，我们就可以很容易很轻松的驾驭websocket。