Websocket协议概念、技术背景和原理介绍

WebSocket是什么

WebSocket一种在单个 TCP 连接上进行全双工通讯的协议。WebSocket通信协议于2011年被IETF定为标准RFC 6455，并被RFC7936所补充规范，WebSocketAPI被W3C定为标准。
WebSocket 是独立的、创建在 TCP 上的协议，和 HTTP 的唯一关联是使用 HTTP 协议的101状态码进行协议切换，使用的 TCP 端口是80，可以用于绕过大多数防火墙的限制。
WebSocket 使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端直接向客户端推送数据而不需要客户端进行请求，在 WebSocket API 中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并允许数据进行双向传送。
目前常见的浏览器如 Chrome、IE、Firefox、Safari、Opera 等都支持 WebSocket，同时需要服务端程序支持 WebSocket

WebSocket技术背景

现在，很多网站为了实现推送技术，所用的技术都是轮询。轮询是在特定的的时间间隔（如每1秒），由浏览器对服务器发出HTTP request，然后由服务器返回最新的数据给客户端的浏览器。这种传统的模式带来很明显的缺点，即浏览器需要不断的向服务器发出请求，然而HTTP request的header是非常长的，里面包含的数据可能只是一个很小的值，这样会占用很多的带宽和服务器资源。

                  图1 HTTP request Headers

而比较新的技术去做轮询的效果是Comet，使用了AJAX。但这种技术虽然可达到双向通信，但依然需要发出请求，而且在Comet中，普遍采用了长链接，这也会大量消耗服务器带宽和资源。
面对这种状况，HTML5定义了WebSocket协议，能更好的节省服务器资源和带宽并达到实时通讯。目前chrome、Firefox、Opera、Safari等主流版本均支持，Internet Explorer从10开始支持。
针对上面提到的Comet和长连接的概念做一个说明：

Comet

Comet是一种用于web的推送技术，能使服务器实时地将更新的信息传送到客户端，而无须客户端发出请求，目前有两种实现方式，长轮询和iframe流。
长轮询
长轮询是在打开一条连接以后保持，等待服务器推送来数据再关闭的方式。
iframe流
iframe流方式是在页面中插入一个隐藏的iframe，利用其src属性在服务器和客户端之间创建一条长链接，服务器向iframe传输数据（通常是HTML，内有负责插入信息的javascript），来实时更新页面。

iframe流方式的优点是浏览器兼容好，Google公司在一些产品中使用了iframe流，如Google Talk。

长链接

HTTP持久连接（HTTP persistent connection，也称作HTTP keep-alive或HTTP connection reuse）是使用同一个TCP连接来发送和接收多个HTTP请求/应答，而不是为每一个新的请求/应答打开新的连接的方法。

在 HTTP 1.0 中, 没有官方的 keepalive 的操作。通常是在现有协议上添加一个指数。如果浏览器支持 keep-alive，它会在请求的包头中添加：
Connection: Keep-Alive
然后当服务器收到请求，作出回应的时候，它也添加一个头在响应中：
Connection: Keep-Alive

            图2  请求响应 Connection: Keep-Alive参数

这样做，连接就不会中断，而是保持连接。当客户端发送另一个请求时，它会使用同一个连接。这一直继续到客户端或服务器端认为会话已经结束，其中一方中断连接。

在 HTTP 1.1 中 所有的连接默认都是持续连接，除非特殊声明不支持。HTTP 持久连接不使用独立的 keepalive 信息，而是仅仅允许多个请求使用单个连接。然而， Apache 2.0 httpd 的默认连接过期时间 是仅仅15秒，对于 Apache 2.2 只有5秒。短的过期时间的优点是能够快速的传输多个web页组件，而不会绑定多个服务器进程或线程太长时间。

长连接的优势

较少的CPU和内存的使用（由于同时打开的连接的减少了）
允许请求和应答的HTTP管线化
降低网络阻塞 （TCP连接减少了）
减少了后续请求的延迟（无需再进行握手）
报告错误无需关闭TCP连接
根据RFC 2616 （47页），用户客户端与任何服务器和代理服务器之间不应该维持超过2个链接。代理服务器应该最多使用2×N个持久连接到其他服务器或代理服务器，其中N是同时活跃的用户数。这个指引旨在提高HTTP响应时间并避免阻塞。

长连接的劣势

对于现在的广泛普及的宽带连接来说，Keep-Alive也许并不像以前一样有用。web服务器会保持连接若干秒(Apache中默认15秒)，这与提高的性能相比也许会影响性能。对于单个文件被不断请求的服务(例如图片存放网站)，Keep-Alive可能会极大的影响性能，因为它在文件被请求之后还保持了不必要的连接很长时间。

长连接在Web浏览器中的使用

网景导航者（4.05版本以后）和Internet Explorer（4.01版本以后）支持使用持久链接链接Web服务器和代理服务器。
网景不使用过时时间来关闭持久连接。而是对所有空闲的持久链接进行排队。当需要打开一个新的持久链接，但连接到不同的服务器上时，浏览器使用最近最少使用算法终止一个空闲的持久链接。
Internet Explorer支持持久链接，IE 6和IE 7缺省使用2个持久链接，而IE 8缺省使用6个持久链接。持久链接在不活跃60秒后过时，可以在Windows注册表中修改。
Mozilla Firefox支持持久链接。可以定制同时的持久连接的最大个数（每个服务器，每个代理服务器，总数）。连接在不活跃300秒（5分钟）后过时（配置中可以修改）。
Opera 4.0版本开始支持持久链接. 可以配置同时的持久连接的最大个数（每个服务器，总数）。

      图3  使用多个连接和使用持久链接的对比

WebSocket优点

Header
服务器与客户端之间交换的数据包档头很小，大概只有2字节。（早期版本7.0）
服务器推送
服务器可以主动传送数据给客户端。

WebSocket的握手协议

在实现websocket连线过程中，需要透过浏览器发出websocket连线请求，然后服务器发出回应，这个过程通常称为“握手”（handshaking）。后期的版本大多属于功能上的扩充，例如使用第7版的握手协议同样也适用于第8版的握手协议。

WebSocket例子

为第13版且浏览器为Chrome的例子
浏览器请求：

GET / HTTP/1.1
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Host: example.com
Origin: null
Sec-WebSocket-Key: sN9cRrP/n9NdMgdcy2VJFQ==
Sec-WebSocket-Version: 13

服务器回应:

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: fFBooB7FAkLlXgRSz0BT3v4hq5s=
Sec-WebSocket-Origin: null
Sec-WebSocket-Location: ws://example.com/

WebSocket原理

”Upgrade:WebSocket”表示这是一个特殊的 HTTP 请求，请求的目的就是要将客户端和服务器端的通讯协议从 HTTP 协议升级到 WebSocket 协议。在请求中的“Sec-WebSocket-Key”是随机的，服务器端会用这些数据来构造出一个SHA-1的信息摘要。把“Sec-WebSocket-Key”加上一个魔幻字符串“258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”。使用SHA-1加密，之后进行BASE-64编码，将结果做为“Sec-WebSocket-Accept”头的值，返回给客户端。以表明服务器端获取了客户端的请求，同意创建 WebSocket 连接。一旦连接建立，客户端和服务器端就可以通过这个通道双向传输数据了。

浏览器

实现websocket的协议，浏览器扮演着一个很重要的角色。所有最新的浏览器支持最新规范（RFC 6455）的WebSocket协议。一个详细的测试报告列出了这些浏览器支持的Websocket版本。

                      图4 浏览器支持现状

基于Gecko 6–10版本的浏览器的WebSocket对象为“mozwebsocket”，需要添加额外的代码。

服务器

在服务器方面，网上都有不同对websocket支持的服务器：
php - http://code.google.com/p/phpwebsocket/
jetty - http://jetty.codehaus.org/jetty/（版本7开始支持websocket）
netty - http://www.jboss.org/netty
ruby - http://github.com/gimite/web-socket-ruby
Kaazing - http://www.kaazing.org/confluence/display/KAAZING/Home
Tomcat - http://tomcat.apache.org/（7.0.27支持websocket，建议用tomcat8，7.0.27中的接口已经过时）
WebLogic - http://www.oracle.com/us/products/middleware/cloud-app-foundation/weblogic/overview/index.html（12.1.2开始支持）
node.js - https://github.com/Worlize/WebSocket-Node
node.js - http://socket.io
nginx - http://nginx.com/
mojolicious - http://mojolicio.us/
python - https://github.com/abourget/gevent-socketio
Django - https://github.com/stephenmcd/django-socketio
erlang - https://github.com/ninenines/cowboy.git