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[网络协议]夜来风雨声,WebSocket 知多少!

WebSocket协议(rfc6455)原文地址:

https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc6455

实时场景的旧处理方案

考虑网页中的以下场景:

  • 股票K线图
  • 聊天
  • 警报、重要通知
  • 余座
  • 抢购页面的库存

上述场景有一个共同特点——实时性

这种对实时性有要求的页面,会带来一些问题

比如下面的聊天场景

在这里插入图片描述

由于HTTP协议是请求-响应模式,请求必须在前,响应必须在后,这就导致了服务器无法「主动」的把消息告诉客户端。

开发者想了很多办法来解决这一问题

当然终极解决方案自然是WebSocket,但了解过去的一些做法、参观前辈们经历的痛苦还是有益的。

短轮询 short polling

短轮询是一种「话痨式」的方式

客户端每隔一小段时间就向服务器请求一次,询问有没有新消息

客户端服务器一段时间后…一段时间后…一段时间后…一段时间后…有新消息吗?没有新消息吗?没有新消息吗?有,user1对你说:你好有新消息吗?没有新消息吗?没客户端服务器

实现短轮询是非常简单的,客户端只需要设置一个计时器不断发送请求即可

这种方案的缺陷是非常明显的:

  • 会产生大量无意义的请求
  • 会频繁打开关闭连接
  • 实时性并不高

长轮询 long polling

我们的前辈在有限的条件下,充分发挥智慧,来解决短轮询的问题,于是演化为长轮询

客户端服务器没有消息不会响应一段时间后…没有消息不会响应一段时间后…有新消息吗?user1对你说:你好有新消息吗?user1对你说:你吃了没…客户端服务器

长轮询有效的解决了「话痨问题」,让每一次请求和响应都是有意义的

但长轮询仍然存在问题:

  • 客户端长时间收不到响应会导致超时,从而主动断开和服务器的连接

    这种情况是可以处理的,但ajax请求因为超时而结束时,立即重新发送请求到服务器

    虽然这种做法会让之前的请求变得无意义,但毕竟比短轮询好多了

  • 由于客户端可能「过早的」请求了服务器,服务器不得不挂起这个请求直到新消息的出现。这会让服务器长时间的占用资源却没什么实际的事情可做。

WebSocket

伴随着HTML5出现的WebSocket,从协议上赋予了服务器主动推送消息的能力

在这里插入图片描述

从上图可以看出:

  • WebSocket也是建立在TCP协议之上的,利用的是TCP全双工通信的能力
  • 使用WebSocket,会经历两个阶段:握手阶段、通信阶段

虽然优于轮询方案,但WebSocket仍然是有缺点的:

  • 兼容性

    WebSocket是HTML5新增的内容,因此古董版本的浏览器并不支持

  • 维持TCP连接需要耗费资源

    对于那些消息量少的场景,维持TCP连接确实会造成资源的浪费

    为了充分利用TCP连接的资源,在使用了WebSocket的页面,可以放弃ajax,都用WebSocket进行通信,当然这会带来程序设计上的一些问题,需要权衡。

握手

WebSocket协议是一个高扩展性的协议,详细内容会比较复杂,这里仅讲解面试中会问到的握手协议

当客户端需要和服务器使用WebSocket进行通信时,首先会使用HTTP协议完成一次特殊的请求-响应,这一次请求-响应就是WebSocket握手

在握手阶段,首先由客户端向服务器发送一个请求,请求地址格式如下:

# 使用HTTP
ws://mysite.com/path
# 使用HTTPS
wss://mysite.com/path

请求头如下:

Connection: Upgrade /* 嘿,后续咱们别用HTTP了,升级吧 */
Upgrade: websocket /* 我们把后续的协议升级为websocket */
Sec-WebSocket-Version: 13 /* websocket协议版本就用13好吗? */
Sec-WebSocket-Key: YWJzZmFkZmFzZmRhYw== /* 暗号:天王盖地虎 */

服务器如果同意,就应该响应下面的消息

HTTP/1.1 101 Switching Protocols /* 换,马上换协议 */
Connection: Upgrade /* 协议升级了 */
Upgrade: websocket /* 升级到websocket */
Sec-WebSocket-Accept: ZzIzMzQ1Z2V3NDUyMzIzNGVy /* 暗号:小鸡炖蘑菇 */

握手完成,后续消息收发不再使用HTTP,任何一方都可以主动发消息给对方

灵魂拷问,你能回答多少?

  1. webSocket 协议是什么,能简述一下吗?

    websocket 协议 HTML5 带来的新协议,相对于 http,它是一个持久连接的协议,它利用 http 协议完成握手,然后通过 TCP 连接通道发送消息,使用 websocket 协议可以实现服务器主动推送消息。

    首先,客户端若要发起 websocket 连接,首先必须向服务器发送 http 请求以完成握手,请求行中的 path 需要使用ws:开头的地址,请求头中要分别加入upgrade、connection、Sec-WebSocket-Key、Sec-WebSocket-Version标记

    然后,服务器收到请求后,发现这是一个 websocket 协议的握手请求,于是响应行中包含Switching Protocols,同时响应头中包含upgrade、connection、Sec-WebSocket-Accept标记

    当客户端收到响应后即可完成握手,随后使用建立的 TCP 连接直接发送和接收消息。

  2. webSocket 与传统的 http 有什么优势

    当页面中需要观察实时数据的变化(比如聊天、k 线图)时,过去我们往往使用两种方式完成

    第一种是短轮询,即客户端每隔一段时间就向服务器发送消息,询问有没有新的数据

    第二种是长轮询,发起一次请求询问服务器,服务器可以将该请求挂起,等到有新消息时再进行响应。响应后,客户端立即又发起一次请求,重复整个流程。

    无论是哪一种方式,都暴露了 http 协议的弱点,即响应必须在请求之后发生,服务器是被动的,无法主动推送消息。而让客户端不断的发起请求又白白的占用了资源。

    websocket 的出现就是为了解决这个问题,它利用 http 协议完成握手之后,就可以与服务器建立持久的连接,服务器可以在任何需要的时候,主动推送消息给客户端,这样占用的资源最少,同时实时性也最高。

  3. 前端如何实现即时通讯?

    1. 短轮询。即客户端每隔一段时间就向服务器发送消息,询问有没有新的数据
    2. 长轮询,发起一次请求询问服务器,服务器可以将该请求挂起,等到有新消息时再进行响应。响应后,客户端立即又发起一次请求,重复整个流程。
    3. websocket,握手完毕后会建立持久性的连接通道,随后服务器可以在任何时候推送新消息给客户端
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加:2022-10-08 21:14:47  更:2022-10-08 21:16:33 
 
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