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WebSocket
WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议。它使得客户端和服务端之间的消息传递更加高效，允许服务器主动向客户端推送数据。
一.WebSocket全双工通信
WebSocket提供了真正的双向通信，客户端和服务端可以同时发送和接收消息
1.1传统HTTP模型 vs WebSocket全双工模型
1.1.1 HTTP哀求/相应模型
1.客户端发起哀求，服务器相应
2.每次通信都需要创建新的TCP连接，增长了延迟
3.服务器不能主动向客户端推送数据，只能在客户端哀求时相应
1.1.2 WebSocket全双工通信
1.单个TCP连接保持打开状态，用于双向通信
2.客户端和服务端可以随时发送消息，无需等候对方完成操作
3.服务器可以主动向客户端推送数据，实现真正的及时通信
1.2 全双工通信的工作原理
1.2.1 连接创建(通过HTTP升级哀求实现协议转换)
客户端通过WebSocket对象发起连接哀求，使用HTTP协议中的Upgrade头将连接升级为WebSocket协议，服务器同意升级后，返回101状态码，并保持连接打开，直到被显式关闭。
1.初始HTTP哀求
客户端通过尺度的HTTP协议发起一个哀求，该哀求包罗一个Upgrade头，表示希望将连接升级为WebSocket协议
- GET /chat HTTP/1.1
- Host: example.com
- Upgrade: websocket
- Connection: Upgrade
- Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
- Sec-WebSocket-Version: 13
如果服务器支持WebSocket并同意升级，它会返回一个101状态码(Switching Protocols)，并确认升级到WebSocket协议
- HTTP/1.1 101 Switching Protocols
- Upgrade: websocket
- Connection: Upgrade
- Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
一旦握手成功，HTTP连接升级为WebSocket连接并保持打开状态，用于后续的双向通信，直到被显式关闭。
1.2.2 数据帧传输(使用帧结构封装数据，支持文本和二进制格式)
一旦连接创建，客户端和服务器可以在任何时间发送消息，消息以帧的情势进行传输，每个帧包罗一个或多个数据包，客户端和服务器之间的消息传递是独立的，互不干扰的。
1.消息分帧
WebSocket使用帧(frame)来封装数据，每个帧包罗一个或多个数据包，而且可以是文本或二进制数据。每个帧都有一个固定的头部结构，包罗操作码(opcode)、负载长度等字段。
2.消息传递
客户端和服务器可以在任何时间发送帧，无需等候对方完成操作，发送的消息可以是完整的，也可以是分段的(多个帧组成一个完整的消息)。
3.控制帧
除了数据帧，WebSocket还定义了多种控制帧，如关闭帧(Close Frame)、Ping帧和Pong帧，用于管理和维护连接状态。
1.2.3 并发通信(客户端和服务器可以同时发送消息)
1.独立的数据流
WebSocket连接中的数据流是独立的，客户端和服务器可以同时发送和接收消息，互不干扰，这个特性使得双方可以在同一时间进行多任务处理，比方客户端发送用户输入的同时，服务器推送最新的通知。
1.2.4 连接管理(通过心跳机制和非常处理确保连接的稳定性和可靠性)
1.心跳机制
为了确保连接的有效性，WebSocket提供了心跳机制，客户端和服务端可以定期发送Ping和Pong帧来检测连接状态。如果一段时间内没有收到对方的相应，可以以为连接已断开，并接纳相应的步伐(如重连)。
2.非常处理
当出现网络故障或其他非常情况时，WebSocket连接可能会停止，此时客户端和服务器可以通过捕获非常时间(如onError和onClose)来进行处理。
比方，在Java中
- @OnClose
- public void onClose(Session session){
- sessions.remove(session);
- broadcast("User "+session.getId()+" disconnected",session);
- }
- @OnError
- public void onError(Session session,Throwable error){
- error.printStackTrace();
- sessions.remove(session);
- broadcast("User "+session.getId()+" encountered an error :" + error.getMessage(),session);
- }
1.正常关闭
客户端或服务器可以主动发送关闭帧(Close Frame)来关闭连接，对方收到关闭帧后，也会发送一个关闭帧作为确认，然后双方关闭连接。
2.非常关闭
如果一方忽然断开连接(如网络故障)，另一方会在肯定时间内检测到连接丢失，并触发关闭变乱。
二.WebSocket的优缺点
2.1 WebSocket的优势
2.1.1 低延迟
相比于传统的HTTP哀求/相应模式，WebSocket淘汰了通信延迟，由于不需要每次都创建新的连接，淘汰了每次通信的握手时间。
1.即时消息传递
在传统的HTTP哀求/相应模型中，客户端必须先发起哀求，服务器才华相应。而WebSocket连接一旦创建，服务器可以主动向客户端推送数据，无需等候客户端哀求。
这种即时消息传递显着淘汰了通信延迟，特别适合需要及时更新的应用场景。
2.淘汰握手开销
每次HTTP哀求都需要重新创建TCP连接，这会增长额外的握手时间，而WebSocket连接保持打开状态，淘汰了频繁创建和关闭连接的开销，从而减低延迟。
2.1.2 高效资源利用
单个连接可以处理多条消息，淘汰了频繁创建和关闭连接的开销。
1.单个连接多个用途
WebSocket使用单个TCP连接进行双向通信，制止了频繁创建和销毁连接带来的资源消耗。相比于轮询(polling)和长轮询(long polling),WebSocket显着淘汰了网络带宽和服务器资源的占用。
2.轻量级协议头
WebSocket协议头信息非常小，相比于HTTP协议头，淘汰了不须要的网络流量，进一步提高了效率。
2.1.3 及时性
服务器可以主动推送数据给客户端，非常适合需要及时更新的应用场景
1.服务器推送
WebSocket允许服务器主动向客户端推送数据，实现了真正的及时通信，这对于需要及时更新的应用非常重要。
2.变乱驱动架构
客户端和服务器可以在任何时间发送消息，基于变乱驱动的架构使得应用能够快速相应用户操作和服务器通知，提供更好的用户体验。
2.1.4 简化开发
1.易于实现
WebSocket提供了简单的API，使得开发者可以轻松地在客户端和服务器之间创建双向通信。
比方，在Java中使用WebSokcet只需少量代码+注解即可实现根本功能。
- @ServerEndpoint("/chat")public class ChatServer { private static Set<Session> sessions = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>()); @OnOpen public void onOpen(Session session) { sessions.add(session); broadcast("User connected: "+ session.getId(),session); } @OnMessage public void onMessage(String message,Session session){ broadcast("User "+session.getId()+" : "+message,session); } @OnClose
- public void onClose(Session session){
- sessions.remove(session);
- broadcast("User "+session.getId()+" disconnected",session);
- }
- @OnError
- public void onError(Session session,Throwable error){
- error.printStackTrace();
- sessions.remove(session);
- broadcast("User "+session.getId()+" encountered an error :" + error.getMessage(),session);
- }
- private void broadcast(String message,Session exclude){ synchronized (sessions){ for(Session session:sessions){ try { if(session.equals(exclude)){ continue; } session.getBasicRemote().sendText(message); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } }}
许多编程语言和框架都提供了对WebSocket的精良支持，developer可以选择适合本身项目的库或框架，快速构建WebSocket应用。
2.1.5 增强用户体验
1.无缝交互
WebSocket的全双工通信使得应用可以更流程地与用户互动，提供无缝的用户体验。比方，在线谈天应用中，用户可以立刻看到其他用户的复兴，而无需革新页面。
2.及时反馈
对于需要及时反馈的应用，如在线游戏或协作编辑工具，WebSocket可以确保用户操作得到即时相应，增强用户的到场感和满意度。
2.1.6 适用于多种应用场景
1.及时谈天室
WebSocket可以实现及时的消息传递，非常适合构建谈天室或即时通讯应用，无需轮询服务器，提供流程的谈天体验。
2.协作编辑工具
允许多个用户同时编辑同一个文档，并及时同步修改。
3.在线游戏
对于需要低延迟交互的游戏，WebSocket提供了更好的性能，确保玩家的操作和游戏状态同步更新。
4.金融数据更新
WebSocket可以用来及时推送最新的股票价格或其他金融数据，帮助用户及时做出决定。
5.物联网设备监控
及时监控设备状态并推送更新给客户端，提高设备管理的效率。
2.2 WebSocket的缺点
2.2.1 连接保持开销
1.长时间占用资源
WebSocket连接一旦创建，会一直保持打开状态，直到表现关闭，这可能导致服务器资源(如内存、文件描述符等)被长时间占用，尤其是在高并发场景下。
2.网络带宽消耗
固然WebSocket协议头比力小，但长时间保持连接仍然会占用肯定的网络带宽，特别是在大量用户同时在线的情况下。
2.2.2 防火墙和代理问题
1.企业级网络限制
某些企业或构造的防火墙和代理服务器可能会构造WebSocket连接，由于它们默认只允许HTTP/HTTPS流量通过，这种限制可能需要额外的设置或使用HTTPS WebSocket(wss://)，但这增长了复杂性。
2.2.3 不支持断点续传
1.数据完整性问题
WebSocket不支持断点续传功能，如果连接意外停止，未完成的消息传输将丢失，需要重新发送整个消息。对于大文件传输或长时间的任务，这可能会导致效率低下或数据丢失。
2.2.4 欣赏器兼容性
1.旧欣赏器支持有限
只管今世欣赏器普遍支持WebSocket，但在一些老旧版本的欣赏器中，WebSocket支持可能缺失或不稳定，developer可能需要提供回退机制(如轮询或长轮询)以确保兼容性。
2.2.5 复杂的错误处理
1.非常情况处理复杂
WebSocket连接可能会由于网络故障，服务器重启等原因忽然断开，developer需要实现复杂的状态管理和重连逻辑，以确保应用的稳定性和可靠性。
2.心跳机制维护
为了确保连接的有效性，通常需要实现心跳机制(Ping/Pong帧)。固然这有助于检测连接状态，但也增长了开发和维护的复杂性。
2.2.6 安全性考虑
1.加密需求
WebSocket默认不加密，必须通过WSS(WebSocket Secure)协议(使用TLS加密)来确保数据传输的安全性。实现WSS需要额外的设置和证书管理，增长了部署的复杂性。
2.跨域安全
WebSocket也面临跨域资源共享(CORS)的问题，需要在服务端进行适当的设置以确保安全访问。
2.2.7 不适合所有应用场景
1.非及时需求
对于不需要及时通信的应用场景，WebSocket可能是过分计划。比方，简单的表单提交或静态页面加载，使用传统的HTTP哀求/相应模型更为符合。
2.高延迟容忍度
如果应用对延迟要求不高，或者可以担当肯定的延迟，使用轮询或长轮询可能是更简单且有效的解决方案。
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