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WebSocket

WebSocket是一种网络传输协议，可在单个TCP连接上进行全双工通讯，位于OSI模型的应用层。WebSocket协议在2011年由IETF标准化为RFC 6455，后由RFC 7936补充规范。Web IDL（英语：Web IDL）中的WebSocket API由W3C标准化。

WebSocket使得客户端和伺服器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。在WebSocket API中，浏览器和伺服器只需要完成一次握手，两者之间就可以建立持久性的连接，并进行双向数据传输。

简介

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WebSocket是一种与HTTP不同的协议。两者都位于OSI模型的应用层，并且都依赖于传输层的TCP协议。 虽然它们不同，但是RFC 6455中规定：it is designed to work over HTTP ports 80 and 443 as well as to support HTTP proxies and intermediaries（WebSocket通过HTTP端口80和443进行工作，并支持HTTP代理和中介），从而使其与HTTP协议兼容。 为了实现兼容性，WebSocket握手使用HTTP Upgrade头[1]从HTTP协议更改为WebSocket协议。

WebSocket协议支持Web浏览器（或其他客户端应用程式）与Web伺服器之间的交互，具有较低的开销，便于实现客户端与伺服器的实时数据传输。 伺服器可以通过标准化的方式来实现，而无需客户端首先请求内容，并允许消息在保持连接打开的同时来回传递。通过这种方式，可以在客户端和伺服器之间进行双向持续对话。 通讯通过TCP端口80或443完成，这在防火墙阻止非Web网络连接的环境下是有益的。另外，Comet之类的技术以非标准化的方式实现了类似的双向通讯。

大多数浏览器都支持该协议，包括Google Chrome、Firefox、Safari、Microsoft Edge、Internet Explorer和Opera。

与HTTP不同，WebSocket提供全双工通讯。[2][3]此外，WebSocket还可以在TCP之上实现消息流。TCP单独处理字节流，没有固有的消息概念。 在WebSocket之前，使用Comet可以实现全双工通讯。但是Comet存在TCP握手和HTTP头的开销，因此对于小消息来说效率很低。WebSocket协议旨在解决这些问题。

WebSocket协议规范将ws（WebSocket）和wss（WebSocket Secure）定义为两个新的统一资源标识符（URI）方案[4]，分别对应明文和加密连接。除了方案名称和片段ID（不支持#）之外，其余的URI组件都被定义为此URI的通用语法。[5]

使用浏览器开发人员工具，开发人员可以检查WebSocket握手以及WebSocket框架。[6]

历史

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WebSocket最初在HTML5规范中被引用为TCPConnection，作为基于TCP的套接字API的占位符。[7]2008年6月，Michael Carter（英语：Michael Carter (entrepreneur)）进行了一系列讨论，最终形成了称为WebSocket的协议。[8]

“WebSocket”这个名字是Ian Hickson和Michael Carter之后在 #whatwg IRC聊天室创造的[9]，随后由Ian Hickson撰写并列入HTML5规范，并在Michael Carter的Cometdaily部落格上宣布[10]。 2009年12月，Google Chrome 4是第一个提供标准支持的浏览器，默认情况下启用了WebSocket。[11]WebSocket协议的开发随后于2010年2月从W3C和WHATWG小组转移到IETF，并在Ian Hickson的指导下进行了两次修订。[12]

该协议被多个浏览器默认支持并启用后，RFC于2011年12月在Ian Fette下完成。[13]

背景

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早期，很多网站为了实现推送技术，所用的技术都是轮询。轮询是指由浏览器每隔一段时间（如每秒）向伺服器发出HTTP请求，然后伺服器返回最新的数据给客户端。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伺服器发出请求，然而HTTP请求与回复可能会包含较长的头部，其中真正有效的数据可能只是很小的一部分，所以这样会消耗很多带宽资源。

比较新的轮询技术是Comet。这种技术虽然可以实现双向通讯，但仍然需要反复发出请求。而且在Comet中普遍采用的HTTP长连接也会消耗伺服器资源。

在这种情况下，HTML5定义了WebSocket协议，能更好的节省伺服器资源和带宽，并且能够更实时地进行通讯。

Websocket使用ws或wss的统一资源标志符（URI）。其中wss表示使用了TLS的Websocket。如： 

ws://example.com/wsapi
wss://secure.example.com/wsapi

Websocket与HTTP和HTTPS使用相同的TCP端口，可以绕过大多数防火墙的限制。默认情况下，Websocket协议使用80端口；运行在TLS之上时，默认使用443端口。

优点

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  • 较少的控制开销。在连接建立后，伺服器和客户端之间交换数据时，用于协议控制的数据包头部相对较小。在不包含扩展的情况下，对于伺服器到客户端的内容，此头部大小只有2至10字节（和数据包长度有关）；对于客户端到伺服器的内容，此头部还需要加上额外的4字节的掩码。相对于HTTP请求每次都要携带完整的头部，此项开销显著减少了。
  • 更强的实时性。由于协议是全双工的，所以伺服器可以随时主动给客户端下发数据。相对于HTTP请求需要等待客户端发起请求服务端才能响应，延迟明显更少；即使是和Comet等类似的长轮询比较，其也能在短时间内更多次地传递数据。
  • 保持连接状态。与HTTP不同的是，Websocket需要先建立连接，这就使得其成为一种有状态的协议，之后通讯时可以省略部分状态资讯。而HTTP请求可能需要在每个请求都携带状态资讯（如身份认证等）。
  • 更好的二进制支持。Websocket定义了二进制帧，相对HTTP，可以更轻松地处理二进制内容。
  • 可以支持扩展。Websocket定义了扩展，用户可以扩展协议、实现部分自定义的子协议。如部分浏览器支持压缩等。
  • 更好的压缩效果。相对于HTTP压缩，Websocket在适当的扩展支持下，可以沿用之前内容的上下文，在传递类似的数据时，可以显著地提高压缩率。[14]

握手协议

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WebSocket 是独立的、建立在TCP上的协议。

Websocket 通过 HTTP/1.1 协议的101状态码进行握手。

为了建立Websocket连接，需要通过浏览器发出请求，之后伺服器进行回应，这个过程通常称为“握手”（Handshaking）。

例子

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一个典型的Websocket握手请求如下[15]：

客户端请求： 

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

伺服器回应： 

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
Sec-WebSocket-Protocol: chat

字段说明

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  • Connection必须设置Upgrade，表示客户端希望连接升级。
  • Upgrade字段必须设置Websocket，表示希望升级到Websocket协议。
  • Sec-WebSocket-Key是随机的字符串，伺服器端会用这些数据来构造出一个SHA-1的资讯摘要。把“Sec-WebSocket-Key”加上一个特殊字符串“258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”，然后计算SHA-1摘要，之后进行Base64编码，将结果做为“Sec-WebSocket-Accept”头的值，返回给客户端。如此操作，可以尽量避免普通HTTP请求被误认为Websocket协议。
  • Sec-WebSocket-Version 表示支持的Websocket版本。RFC6455要求使用的版本是13，之前草案的版本均应当弃用。
  • Origin字段是必须的。如果缺少origin字段，WebSocket伺服器需要回复HTTP 403 状态码（禁止访问）。[16]
  • 其他一些定义在HTTP协议中的字段，如Cookie等，也可以在Websocket中使用。

浏览器支持

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WebSocket协议的安全版本在Firefox 6[17]、Safari 6、Google Chrome 14[18]、Opera 12.10和Internet Explorer 10中实现。[19]详细的协议测试包报告[20]列出了这些浏览器与特定协议方面的一致性。

Opera 11和Safari 5中实现了较旧的，不太安全的协议版本，以及iOS 4.2中的Safari移动版本。[21]OS7中的BlackBerry Browser实现了WebSockets。[22]由于存在漏洞，它在Firefox 4和5[23]以及Opera 11中被禁用。[24]

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[20]列出了这些浏览器支持的Websocket版本。

浏览器支持现状
协议 发布日期 IE Firefox[25]（个人电脑） Firefox (Android) Chrome（个人电脑，手机） Safari（Mac, iOS） Opera（个人电脑，手机） Android浏览器
hixie-75 （页面存档备份，存于互联网档案馆） 2010年2月4日 4 5.0.0
hixie-76（页面存档备份，存于互联网档案馆）
hybi-00 （页面存档备份，存于互联网档案馆） 		2010年5月10日，
2010年5月23日 		4.0（已禁用） 6 5.0.1 11.00（已禁用）
7 hybi-07（页面存档备份，存于互联网档案馆） 2011年4月22日 6[26]1
8 hybi-10 （页面存档备份，存于互联网档案馆） 2011年7月11日 7[27]1 7 14[28]
13 RFC 6455 2011年12月 10[29] 11 11 16[30] 6 12.10[31] 4.4[32]

1基于Gecko 6–10版本的浏览器的WebSocket对象为“mozwebsocket”，[33]需要添加额外的代码。

伺服器

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在伺服器方面，网上都有不同对websocket支持的伺服器：

参考资料

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  1. ^ Ian Fette; Alexey Melnikov. Relationship to TCP and HTTP. RFC 6455 The WebSocket Protocol. IETF. December 2011: sec. 1.7. RFC 6455. 
  2. ^ Glossary:WebSockets. Mozilla Developer Network. 2015 [2019-05-09]. （原始内容存档于2016-09-14）. 
  3. ^ HTML5 WebSocket: A Quantum Leap in Scalability for the Web. [2019-05-09]. （原始内容存档于2021-04-01）. 
  4. ^ Graham Klyne (编). IANA Uniform Resource Identifer (URI) Schemes. Internet Assigned Numbers Authority. 2011-11-14 [2011-12-10]. （原始内容存档于2013-04-25）. 
  5. ^ Ian Fette; Alexey Melnikov. WebSocket URIs. RFC 6455 The WebSocket Protocol. IETF. December 2011: sec. 3. RFC 6455. 
  6. ^ Wang, Vanessa; Salim, Frank; Moskovits, Peter. APPENDIX A: WebSocket Frame Inspection with Google Chrome Developer Tools. The Definitive Guide to HTML5 WebSocket. Apress. February 2013 [7 April 2013]. ISBN 978-1-4302-4740-1. （原始内容存档于2015-12-31）. 
  7. ^ HTML 5. www.w3.org. [2016-04-17]. （原始内容存档于2016-09-16）. 
  8. ^ [whatwg] TCPConnection feedback from Michael Carter on 2008-06-18 (whatwg.org from June 2008). lists.w3.org. [2016-04-17]. （原始内容存档于2016-04-27）. 
  9. ^ IRC logs: freenode / #whatwg / 20080618. krijnhoetmer.nl. [2016-04-18]. （原始内容存档于2016-08-21）. 
  10. ^ Comet Daily » Blog Archive » Independence Day: HTML5 WebSocket Liberates Comet From Hacks. [2016-04-17]. （原始内容存档于2016-04-23）. 
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  14. ^ 存档副本. [2017-01-17]. （原始内容存档于2020-11-11）. 
  15. ^ 存档副本. [2019-05-09]. （原始内容存档于2017-03-06）. 
  16. ^ RFC 6455 - The WebSocket Protocol. IETF Tools. [2019-05-09]. （原始内容存档于2017-03-06）. Servers that are not intended to process input from any web page but only for certain sites SHOULD verify the |Origin| field is an origin they expect. If the origin indicated is unacceptable to the server, then it SHOULD respond to the WebSocket handshake with a reply containing HTTP 403 Forbidden status code. 
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  18. ^ Chromium Web Platform Status. [2011-08-03]. （原始内容存档于2017-03-04）. 
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  20. ^ 20.0 20.1 WebSockets Protocol Test Report. Tavendo.de. 2011-10-27 [2011-12-10]. （原始内容存档于2016-09-22）. 
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  25. ^ WebSockets (support in Firefox). Developer.mozilla.org. 2011-09-30 [2011-12-10]. （原始内容存档于2012-05-26）. 
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