Websocket原理

WebSocket 是一种在单个 TCP 连接上进行全双工通信的协议，它允许客户端和服务器之间进行实时、双向的数据传输。以下是 WebSocket 的实现原理以及如何处理保持心跳的详细说明：

WebSocket 的实现原理

1. 握手阶段：
   • WebSocket 连接始于一个 HTTP 握手请求。客户端发送一个带有 Upgrade: websocket 和 Connection: Upgrade 头的 HTTP 请求。
   • 服务器如果支持 WebSocket，会返回一个 HTTP 101 状态码（Switching Protocols），表示协议升级成功。
   • 握手过程中，客户端和服务器会交换一些密钥（如 Sec-WebSocket-Key 和 Sec-WebSocket-Accept），用于验证连接的合法性。
2. 数据传输阶段：
   • 握手完成后，连接从 HTTP 协议升级为 WebSocket 协议。
   • WebSocket 使用帧（Frame）来传输数据。帧分为控制帧（如 Ping/Pong）和数据帧（如文本或二进制数据）。
   • 数据帧可以分片传输，适合传输大块数据。
3. 连接关闭：
   • 客户端或服务器可以主动发送关闭帧（Close Frame）来终止连接。
   • 关闭时，双方会交换关闭状态码和原因。

如何处理保持心跳

WebSocket 连接可能会因为网络问题或长时间没有数据传输而被断开。为了保持连接的活跃性，通常需要实现心跳机制。

心跳机制的原理

心跳机制是通过定期发送 Ping 帧和接收 Pong 帧来检测连接是否仍然有效。

1. Ping 帧：
   • 客户端或服务器可以定期发送 Ping 帧（控制帧的一种）。
   • Ping 帧是一个轻量级的数据包，用于检测对方是否仍然在线。
2. Pong 帧：
   • 当接收到 Ping 帧时，接收方必须回复一个 Pong 帧。
   • Pong 帧是对 Ping 帧的响应，表示连接仍然有效。
3. 超时检测：
   • 如果发送 Ping 帧后，在指定时间内没有收到 Pong 帧，可以认为连接已断开。
   • 此时可以主动关闭连接并尝试重新连接。

实现心跳机制的步骤

1. 客户端实现：
   • 使用 setInterval 定期向服务器发送 Ping 帧。
   • 监听服务器的 Pong 帧响应。
   • 如果超时未收到 Pong 帧，关闭连接并重连。

const ws = new WebSocket('ws://example.com');
let pingInterval;

ws.onopen = () => {
    console.log('WebSocket connected');
    // 每隔 30 秒发送一次 Ping
    pingInterval = setInterval(() => {
        if (ws.readyState === WebSocket.OPEN) {
            ws.send(JSON.stringify({ type: 'ping' }));
        }
    }, 30000);
};

ws.onmessage = (event) => {
    const data = JSON.parse(event.data);
    if (data.type === 'pong') {
        console.log('Received pong');
    }
};

ws.onclose = () => {
    console.log('WebSocket disconnected');
    clearInterval(pingInterval);
};

2，服务器实现：

监听客户端的 Ping 帧，并回复 Pong 帧。

如果长时间未收到客户端的消息，可以主动关闭连接。

const WebSocket = require('ws');
const wss = new WebSocket.Server({ port: 8080 });

wss.on('connection', (ws) => {
    console.log('Client connected');
    let timeout;

    const heartbeat = () => {
        clearTimeout(timeout);
        // 设置超时时间，例如 60 秒
        timeout = setTimeout(() => {
            ws.terminate();
        }, 60000);
    };

    ws.on('message', (message) => {
        const data = JSON.parse(message);
        if (data.type === 'ping') {
            ws.send(JSON.stringify({ type: 'pong' }));
        }
        heartbeat();
    });

    ws.on('close', () => {
        console.log('Client disconnected');
        clearTimeout(timeout);
    });
});

总结

• WebSocket 通过 HTTP 握手升级协议，实现全双工通信。
• 心跳机制通过定期发送 Ping/Pong 帧来检测连接状态，避免因超时断开。
• 客户端和服务器都需要实现心跳逻辑，以确保连接的稳定性。

——————-以上ai的答案—————–

一、websocket与http

WebSocket是HTML5出的东西（协议），也就是说HTTP协议没有变化，或者说没关系，但HTTP是不支持持久连接的（长连接，循环连接的不算）

首先HTTP有 1.1 和 1.0 之说，也就是所谓的 keep-alive ，把多个HTTP请求合并为一个，但是 Websocket 其实是一个新协议，跟HTTP协议基本没有关系，只是为了兼容现有浏览器的握手规范而已，也就是说它是HTTP协议上的一种补充可以通过这样一张图理解

有交集，但是并不是全部。

另外Html5是指的一系列新的API，或者说新规范，新技术。Http协议本身只有1.0和1.1，而且跟Html本身没有直接关系。。通俗来说，你可以用HTTP协议传输非Html数据，就是这样=。=

再简单来说，层级不一样。

二、Websocket是什么样的协议，具体有什么优点

首先，Websocket是一个持久化的协议，相对于HTTP这种非持久的协议来说。简单的举个例子吧，用目前应用比较广泛的PHP生命周期来解释。

HTTP的生命周期通过 Request 来界定，也就是一个 Request 一个 Response ，那么在 HTTP1.0 中，这次HTTP请求就结束了。

在HTTP1.1中进行了改进，使得有一个keep-alive，也就是说，在一个HTTP连接中，可以发送多个Request，接收多个Response。但是请记住 Request = Response ， 在HTTP中永远是这样，也就是说一个request只能有一个response。而且这个response也是被动的，不能主动发起。

教练，你BB了这么多，跟Websocket有什么关系呢？_(:з」∠)_好吧，我正准备说Websocket呢。。

首先Websocket是基于HTTP协议的，或者说借用了HTTP的协议来完成一部分握手。

首先我们来看个典型的 Websocket 握手（借用Wikipedia的。。）

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13
Origin: http://example.com

熟悉HTTP的童鞋可能发现了，这段类似HTTP协议的握手请求中，多了几个东西。我会顺便讲解下作用。

Upgrade: websocket
Connection: Upgrade

这个就是Websocket的核心了，告诉 Apache 、 Nginx 等服务器：注意啦，我发起的是Websocket协议，快点帮我找到对应的助理处理~不是那个老土的HTTP。

Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13

首先， Sec-WebSocket-Key 是一个 Base64 encode 的值，这个是浏览器随机生成的，告诉服务器：泥煤，不要忽悠窝，我要验证尼是不是真的是Websocket助理。

然后， Sec_WebSocket-Protocol 是一个用户定义的字符串，用来区分同URL下，不同的服务所需要的协议。简单理解：今晚我要服务A，别搞错啦~

最后， Sec-WebSocket-Version 是告诉服务器所使用的 Websocket Draft （协议版本），在最初的时候，Websocket协议还在 Draft 阶段，各种奇奇怪怪的协议都有，而且还有很多期奇奇怪怪不同的东西，什么Firefox和Chrome用的不是一个版本之类的，当初Websocket协议太多可是一个大难题。。不过现在还好，已经定下来啦~大家都使用的一个东西~ 脱水： 服务员，我要的是13岁的噢→_→

然后服务器会返回下列东西，表示已经接受到请求， 成功建立Websocket啦！

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk=
Sec-WebSocket-Protocol: chat

这里开始就是HTTP最后负责的区域了，告诉客户，我已经成功切换协议啦~

Upgrade: websocket
Connection: Upgrade

依然是固定的，告诉客户端即将升级的是 Websocket 协议，而不是mozillasocket，lurnarsocket或者shitsocket。

然后， Sec-WebSocket-Accept 这个则是经过服务器确认，并且加密过后的 Sec-WebSocket-Key。 服务器：好啦好啦，知道啦，给你看我的ID CARD来证明行了吧。。

后面的， Sec-WebSocket-Protocol 则是表示最终使用的协议。

至此，HTTP已经完成它所有工作了，接下来就是完全按照Websocket协议进行了。具体的协议就不在这阐述了。

——————技术解析部分完毕——————

你TMD又BBB了这么久，那到底Websocket有什么鬼用， http long poll ，或者 ajax轮询 不都可以实现实时信息传递么。

好好好，年轻人，那我们来讲一讲Websocket有什么用。来给你吃点胡（苏）萝（丹）卜（红）

三、Websocket的作用

在讲Websocket之前，我就顺带着讲下 long poll 和 ajax轮询 的原理。

ajax轮询

ajax轮询的原理非常简单，让浏览器隔个几秒就发送一次请求，询问服务器是否有新信息。

long poll

long poll 其实原理跟 ajax轮询 差不多，都是采用轮询的方式，不过采取的是阻塞模型（一直打电话，没收到就不挂电话），也就是说，客户端发起连接后，如果没消息，就一直不返回Response给客户端。直到有消息才返回，返回完之后，客户端再次建立连接，周而复始。

从上面可以看出其实这两种方式，都是在不断地建立HTTP连接，然后等待服务端处理，可以体现HTTP协议的另外一个特点，被动性。

何为被动性呢，其实就是，服务端不能主动联系客户端，只能有客户端发起。

简单地说就是，服务器是一个很懒的冰箱（这是个梗）（不会、不能主动发起连接），但是上司有命令，如果有客户来，不管多么累都要好好接待。

说完这个，我们再来说一说上面的缺陷（原谅我废话这么多吧OAQ）

从上面很容易看出来，不管怎么样，上面这两种都是非常消耗资源的。

ajax轮询 需要服务器有很快的处理速度和资源。（速度）long poll 需要有很高的并发，也就是说同时接待客户的能力。（场地大小）

所以 ajax轮询 和 long poll 都有可能发生这种情况。

言归正传，我们来说Websocket吧

所以在这种情况下出现了，Websocket出现了。他解决了HTTP的这几个难题。首先，被动性，当服务器完成协议升级后（HTTP->Websocket），服务端就可以主动推送信息给客户端啦。所以上面的情景可以做如下修改。

就变成了这样，只需要经过一次HTTP请求，就可以做到源源不断的信息传送了。（ 在程序设计中，这种设计叫做回调，即：你有信息了再来通知我，而不是我傻乎乎的每次跑来问你 ）

这样的协议解决了上面同步有延迟，而且还非常消耗资源的这种情况。那么为什么他会解决服务器上消耗资源的问题呢？

其实我们所用的程序是要经过两层代理的，即HTTP协议在Nginx等服务器的解析下，然后再传送给相应的Handler（PHP等）来处理。简单地说，我们有一个非常快速的 接线员（Nginx） ，他负责把问题转交给相应的 客服（Handler） 。

本身接线员基本上速度是足够的，但是每次都卡在客服（Handler）了，老有客服处理速度太慢。，导致客服不够。Websocket就解决了这样一个难题，建立后，可以直接跟接线员建立持久连接，有信息的时候客服想办法通知接线员，然后接线员在统一转交给客户。

这样就可以解决客服处理速度过慢的问题了。

同时，在传统的方式上，要不断的建立，关闭HTTP协议，由于HTTP是非状态性的，每次都要重新传输 identity info （鉴别信息），来告诉服务端你是谁。

虽然接线员很快速，但是每次都要听这么一堆，效率也会有所下降的，同时还得不断把这些信息转交给客服，不但浪费客服的处理时间，而且还会在网路传输中消耗过多的流量/时间。

但是Websocket只需要一次HTTP握手，所以说整个通讯过程是建立在一次连接/状态中，也就避免了HTTP的非状态性，服务端会一直知道你的信息，直到你关闭请求，这样就解决了接线员要反复解析HTTP协议，还要查看identity info的信息。

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至于怎么在不支持Websocket的客户端上使用Websocket。。答案是： 不能

但是可以通过上面说的 long poll 和 ajax 轮询 来 模拟出类似的效果

https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/API