WebSocket协议

websocket 简介

(2013-04-09 15:39:28)

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分类： websocket

一

WebSocket是html5新增加的一种通信协议，目前流行的浏览器都支持这个协议，例如Chrome，Safrie，Firefox，Opera，IE等等，对该协议支持最早的应该是chrome，从chrome12就已经开始支持，随着协议草案的不断变化，各个浏览器对协议的实现也在不停的更新。该协议还是草案，没有成为标准，不过成为标准应该只是时间问题了，从WebSocket草案的提出到现在已经有十几个版本了，目前最新的是版本17，所对应的协议版本号为13，目前对该协议支持最完善的浏览器应该是chrome，毕竟WebSocket协议草案也是Google发布的。

1. WebSocket API简介

首先看一段简单的javascript代码，该代码调用了WebSockets的API。

var ws = new WebSocket(“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!”);};

这份代码总共只有5行，现在简单概述一下这5行代码的意义。

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协议使用http://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，当Browser和WebSocketServer连接成功后，会触发onopen消息；如果连接失败，发送、接收数据失败或者处理数据出现错误，browser会触发onerror消息；当Browser接收到WebSocketServer发送过来的数据时，就会触发onmessage消息，参数evt中包含server传输过来的数据；当Browser接收到WebSocketServer端发送的关闭连接请求时，就会触发onclose消息。我们可以看出所有的操作都是采用消息的方式触发的，这样就不会阻塞UI，使得UI有更快的响应时间，得到更好的用户体验。

二为什么引入WebSocket协议？？

Browser已经支持http协议，为什么还要开发一种新的WebSocket协议呢？我们知道http协议是一种单向的网络协议，在建立连接后，它只允许Browser/UA（UserAgent）向WebServer发出请求资源后，WebServer才能返回相应的数据。而WebServer不能主动的推送数据给Browser/UA，当初这么设计http协议也是有原因的，假设WebServer能主动的推送数据给Browser/UA，那Browser/UA就太容易受到攻击，一些广告商也会主动的把一些广告信息在不经意间强行的传输给客户端，这不能不说是一个灾难。那么单向的http协议给现在的网站或Web应用程序开发带来了哪些问题呢？

让我们来看一个案例，现在假设我们想开发一个基于Web的应用程序去获取当前Web服务器的实时数据，例如股票的实时行情，火车票的剩余票数等等，这就需要Browser/UA与WebServer端之间反复的进行http通信，Browser不断的发送Get请求，去获取当前的实时数据。下面介绍几种常见的方式：

1. Polling

这种方式就是通过Browser/UA定时的向Web服务器发送http的Get请求，服务器收到请求后，就把最新的数据发回给客户端（Browser/UA），Browser/UA得到数据后，就将其显示出来，然后再定期的重复这一过程。虽然这样可以满足需求，但是也仍然存在一些问题，例如在某段时间内Web服务器端没有更新的数据，但是Browser/UA仍然需要定时的发送Get请求过来询问，那么Web服务器就把以前的老数据再传送过来，Browser/UA把这些没有变化的数据再显示出来，这样显然既浪费了网络带宽，又浪费了CPU的利用率。如果说把Browser发送Get请求的周期调大一些，就可以缓解这一问题，但是如果在Web服务器端的数据更新很快时，这样又不能保证Web应用程序获取数据的实时性。

2. Long Polling

上面介绍了Polling遇到的问题，现在介绍一下LongPolling，它是对Polling的一种改进。

Browser/UA发送Get请求到Web服务器，这时Web服务器可以做两件事情，第一，如果服务器端有新的数据需要传送，就立即把数据发回给Browser/UA，Browser/UA收到数据后，立即再发送Get请求给Web Server；第二，如果服务器端没有新的数据需要发送，这里与Polling方法不同的是，服务器不是立即发送回应给Browser/UA，而是把这个请求保持住，等待有新的数据到来时，再来响应这个请求；当然了，如果服务器的数据长期没有更新，一段时间后，这个Get请求就会超时，Browser/UA收到超时消息后，再立即发送一个新的Get请求给服务器。然后依次循环这个过程。

这种方式虽然在某种程度上减小了网络带宽和CPU利用率等问题，但是仍然存在缺陷，例如假设服务器端的数据更新速率较快，服务器在传送一个数据包给Browser后必须等待Browser的下一个Get请求到来，才能传递第二个更新的数据包给Browser，那么这样的话，Browser显示实时数据最快的时间为2×RTT（往返时间），另外在网络拥塞的情况下，这个应该是不能让用户接受的。另外，由于http数据包的头部数据量往往很大（通常有400多个字节），但是真正被服务器需要的数据却很少（有时只有10个字节左右），这样的数据包在网络上周期性的传输，难免对网络带宽是一种浪费。

通过上面的分析可知，要是在Browser能有一种新的网络协议，能支持客户端和服务器端的双向通信，而且协议的头部又不那么庞大就好了。WebSocket就是肩负这样一个使命登上舞台的。

三 websocket协议简介

WebSocket协议是一种双向通信协议，它建立在TCP之上，同http一样通过TCP来传输数据，但是它和http最大的不同有两点：1.WebSocket是一种双向通信协议，在建立连接后，WebSocket服务器和Browser/UA都能主动的向对方发送或接收数据，就像Socket一样，不同的是WebSocket是一种建立在Web基础上的一种简单模拟Socket的协议；2.WebSocket需要通过握手连接，类似于TCP它也需要客户端和服务器端进行握手连接，连接成功后才能相互通信。

下面是一个简单的建立握手的时序图：

这里简单说明一下WebSocket握手的过程。

当Web应用程序调用new WebSocket(url)接口时，Browser就开始了与地址为url的WebServer建立握手连接的过程。

1. Browser与WebSocket服务器通过TCP三次握手建立连接，如果这个建立连接失败，那么后面的过程就不会执行，Web应用程序将收到错误消息通知。

2. 在TCP建立连接成功后，Browser/UA通过http协议传送WebSocket支持的版本号，协议的字版本号，原始地址，主机地址等等一些列字段给服务器端。

例如：

GET /chat HTTP/1.1

Host: server.example.com

Upgrade: websocket

Connection: Upgrade

Sec-WebSocket-Key:dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==

Origin: http://example.com

Sec-WebSocket-Protocol: chat,superchat

Sec-WebSocket-Version: 13

3. WebSocket服务器收到Browser/UA发送来的握手请求后，如果数据包数据和格式正确，客户端和服务器端的协议版本号匹配等等，就接受本次握手连接，并给出相应的数据回复，同样回复的数据包也是采用http协议传输。

HTTP/1.1 101 Switching Protocols

Upgrade: websocket

Connection: Upgrade

Sec-WebSocket-Accept:s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

Sec-WebSocket-Protocol: chat

4. Browser收到服务器回复的数据包后，如果数据包内容、格式都没有问题的话，就表示本次连接成功，触发onopen消息，此时Web开发者就可以在此时通过send接口想服务器发送数据。否则，握手连接失败，Web应用程序会收到onerror消息，并且能知道连接失败的原因。

四 websocket与TCP,HTTP的关系。

WebSocket与http协议一样都是基于TCP的，所以他们都是可靠的协议，Web开发者调用的WebSocket的send函数在browser的实现中最终都是通过TCP的系统接口进行传输的。WebSocket和Http协议一样都属于应用层的协议，那么他们之间有没有什么关系呢？答案是肯定的，WebSocket在建立握手连接时，数据是通过http协议传输的，正如我们上一节所看到的“GET/chat HTTP/1.1”，这里面用到的只是http协议一些简单的字段。但是在建立连接之后，真正的数据传输阶段是不需要http协议参与的。

具体关系可以参考下图：

五websocket server

果要搭建一个Web服务器，我们会有很多选择，市场上也有很多成熟的产品供我们应用，比如开源的Apache，安装后只需简单的配置（或者默认配置）就可以工作了。但是如果想搭建一个WebSocket服务器就没有那么轻松了，因为WebSocket是一种新的通信协议，目前还是草案，没有成为标准，市场上也没有成熟的WebSocket服务器或者Library实现WebSocket协议，我们就必须自己动手写代码去解析和组装WebSocket的数据包。要这样完成一个WebSocket服务器，估计所有的人都想放弃，幸好的是市场上有几款比较好的开源库供我们使用，比如PyWebSocket,WebSocket-Node, LibWebSockets等等，这些库文件已经实现了WebSocket数据包的封装和解析，我们可以调用这些接口，这在很大程度上减少了我们的工作量。

下面就简单介绍一下这些开源的库文件。

1. PyWebSocket

PyWebSocket采用Python语言编写，可以很好的跨平台，扩展起来也比较简单，目前WebKit采用它搭建WebSocket服务器来做LayoutTest。

我们可以获取源码通过下面的命令

svn checkouthttp://pywebsocket.googlecode.com/svn/trunk/ pywebsocket-read-only

更多的详细信息可以从http://code.google.com/p/pywebsocket/获取。

2. WebSocket-Node

WebSocket-Node采用JavaScript语言编写，这个库是建立在nodejs之上的，对于熟悉JavaScript的朋友可参考一下，另外Html5和Web应用程序受欢迎的程度越来越高，nodejs也正受到广泛的关注。

我们可以从下面的连接中获取源码

https://github.com/Worlize/Websocket-Node

3. LibWebSockets

LibWebSockets采用C/C++语言编写，可定制化的力度更大，从TCP监听开始到封包的完成我们都可以参与编程。