# 3.9 既然有 HTTP 协议,为什么还要有 WebSocket?

来源:公众号@小白debug

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平时我们打开网页,比如购物网站某宝。都是点一下「列表商品」,跳转一下网页就到了「商品详情」。

从 HTTP 协议的角度来看,就是点一下网页上的某个按钮,前端发一次 HTTP请 求,网站返回一次 HTTP 响应。这种由客户端主动请求,服务器响应的方式也满足大部分网页的功能场景。

但有没有发现,这种情况下,服务器从来就「不会主动」给客户端发一次消息。就像你喜欢的女生从来不会主动找你一样。

但如果现在,你在刷网页的时候「右下角」突然弹出一个小广告,提示你【一个人在家偷偷才能玩哦】。

求知,好学,勤奋,这些刻在你 DNA 里的东西都动起来了。

你点开后发现。

长相平平无奇的古某提示你"道士 9 条狗,全服横着走"。

影帝某辉老师跟你说"系兄弟就来砍我"。

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来都来了,你就选了个角色进到了游戏界面里。

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这时候,上来就是一个小怪,从远处走来,然后疯狂拿木棒子抽你。

你全程没点任何一次鼠标。服务器就自动将怪物的移动数据和攻击数据源源不断发给你了。

这….太暖心了。

感动之余,问题就来了,

像这种看起来服务器主动发消息给客户端的场景,是怎么做到的?

在真正回答这个问题之前,我们先来聊下一些相关的知识背景。

# 使用 HTTP 不断轮询

其实问题的痛点在于,怎么样才能在用户不做任何操作的情况下,网页能收到消息并发生变更。

最常见的解决方案是,网页的前端代码里不断定时发 HTTP 请求到服务器,服务器收到请求后给客户端响应消息。

这其实时一种「」服务器推的形式。

它其实并不是服务器主动发消息到客户端,而是客户端自己不断偷偷请求服务器,只是用户无感知而已。

用这种方式的场景也有很多,最常见的就是扫码登录

比如,某信公众号平台,登录页面二维码出现之后,前端网页根本不知道用户扫没扫,于是不断去向后端服务器询问,看有没有人扫过这个码。而且是以大概 1 到 2 秒的间隔去不断发出请求,这样可以保证用户在扫码后能在 1 到 2 秒内得到及时的反馈,不至于等太久

使用HTTP定时轮询

但这样,会有两个比较明显的问题:

  • 当你打开 F12 页面时,你会发现满屏的 HTTP 请求。虽然很小,但这其实也消耗带宽,同时也会增加下游服务器的负担。
  • 最坏情况下,用户在扫码后,需要等个 1~2 秒,正好才触发下一次 HTTP 请求,然后才跳转页面,用户会感到明显的卡顿

使用起来的体验就是,二维码出现后,手机扫一扫,然后在手机上点个确认,这时候卡顿等个 1~2 秒,页面才跳转。

在这里插入图片描述

那么问题又来了,有没有更好的解决方案?

有,而且实现起来成本还非常低。

# 长轮询

我们知道,HTTP 请求发出后,一般会给服务器留一定的时间做响应,比如 3 秒,规定时间内没返回,就认为是超时。

如果我们的 HTTP 请求将超时设置的很大,比如 30 秒,在这 30 秒内只要服务器收到了扫码请求,就立马返回给客户端网页。如果超时,那就立马发起下一次请求。

这样就减少了 HTTP 请求的个数,并且由于大部分情况下,用户都会在某个 30 秒的区间内做扫码操作,所以响应也是及时的。

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比如,某度云网盘就是这么干的。所以你会发现一扫码,手机上点个确认,电脑端网页就秒跳转,体验很好。

在这里插入图片描述

像这种发起一个请求,在较长时间内等待服务器响应的机制,就是所谓的长训轮机制。我们常用的消息队列 RocketMQ 中,消费者去取数据时,也用到了这种方式。

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像这种,在用户不感知的情况下,服务器将数据推送给浏览器的技术,就是所谓的服务器推送技术,它还有个毫不沾边的英文名,comet 技术,大家听过就好。

上面提到的两种解决方案(不断轮询和长轮询),本质上,其实还是客户端主动去取数据。

对于像扫码登录这样的简单场景还能用用。但如果是网页游戏呢,游戏一般会有大量的数据需要从服务器主动推送到客户端。

这就得说下 WebSocket 了。

# WebSocket是什么

我们知道 TCP 连接的两端,同一时间里双方都可以主动向对方发送数据。这就是所谓的全双工

而现在使用最广泛的HTTP/1.1,也是基于TCP协议的,同一时间里,客户端和服务器只能有一方主动发数据,这就是所谓的半双工

也就是说,好好的全双工 TCP,被 HTTP/1.1 用成了半双工。

为什么?

这是由于 HTTP 协议设计之初,考虑的是看看网页文本的场景,能做到客户端发起请求再由服务器响应,就够了,根本就没考虑网页游戏这种,客户端和服务器之间都要互相主动发大量数据的场景。

所以,为了更好的支持这样的场景,我们需要另外一个基于TCP的新协议

于是新的应用层协议WebSocket就被设计出来了。

大家别被这个名字给带偏了。虽然名字带了个socket,但其实 socket 和 WebSocket 之间,就跟雷峰和雷峰塔一样,二者接近毫无关系

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# 怎么建立WebSocket连接

我们平时刷网页,一般都是在浏览器上刷的,一会刷刷图文,这时候用的是 HTTP 协议,一会打开网页游戏,这时候就得切换成我们新介绍的 WebSocket 协议

为了兼容这些使用场景。浏览器在 TCP 三次握手建立连接之后,都统一使用 HTTP 协议先进行一次通信。

  • 如果此时是普通的 HTTP 请求,那后续双方就还是老样子继续用普通 HTTP 协议进行交互,这点没啥疑问。
  • 如果这时候是想建立 WebSocket 连接,就会在 HTTP 请求里带上一些特殊的header 头,如下:
Connection: Upgrade
Upgrade: WebSocket
Sec-WebSocket-Key: T2a6wZlAwhgQNqruZ2YUyg==\r\n

这些 header 头的意思是,浏览器想升级协议(Connection: Upgrade),并且想升级成 WebSocket 协议(Upgrade: WebSocket)。同时带上一段随机生成的 base64 码(Sec-WebSocket-Key),发给服务器。

如果服务器正好支持升级成 WebSocket 协议。就会走 WebSocket 握手流程,同时根据客户端生成的 base64 码,用某个公开的算法变成另一段字符串,放在 HTTP 响应的 Sec-WebSocket-Accept 头里,同时带上101状态码,发回给浏览器。HTTP 的响应如下:

HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n
Sec-WebSocket-Accept: iBJKv/ALIW2DobfoA4dmr3JHBCY=\r\n
Upgrade: WebSocket\r\n
Connection: Upgrade\r\n

HTTP 状态码=200(正常响应)的情况,大家见得多了。101 确实不常见,它其实是指协议切换

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之后,浏览器也用同样的公开算法base64码转成另一段字符串,如果这段字符串跟服务器传回来的字符串一致,那验证通过。

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就这样经历了一来一回两次 HTTP 握手,WebSocket就建立完成了,后续双方就可以使用 webscoket 的数据格式进行通信了。

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# WebSocket抓包

我们可以用wireshark抓个包,实际看下数据包的情况。

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上面这张图,注意画了红框的第2445行报文,是WebSocket的第一次握手,意思是发起了一次带有特殊Header的HTTP请求。

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上面这个图里画了红框的4714行报文,就是服务器在得到第一次握手后,响应的第二次握手,可以看到这也是个 HTTP 类型的报文,返回的状态码是 101。同时可以看到返回的报文 header 中也带有各种WebSocket相关的信息,比如Sec-WebSocket-Accept

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上面这张图就是全貌了,从截图上的注释可以看出,WebSocket和HTTP一样都是基于TCP的协议。经历了三次TCP握手之后,利用 HTTP 协议升级为 WebSocket 协议

你在网上可能会看到一种说法:"WebSocket 是基于HTTP的新协议",其实这并不对,因为WebSocket只有在建立连接时才用到了HTTP,升级完成之后就跟HTTP没有任何关系了

这就好像你喜欢的女生通过你要到了你大学室友的微信,然后他们自己就聊起来了。你能说这个女生是通过你去跟你室友沟通的吗?不能。你跟HTTP一样,都只是个工具人

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这就有点"借壳生蛋"的那意思。

HTTP和WebSocket的关系

# WebSocket的消息格式

上面提到在完成协议升级之后,两端就会用webscoket的数据格式进行通信。

数据包在WebSocket中被叫做,我们来看下它的数据格式长什么样子。

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这里面字段很多,但我们只需要关注下面这几个。

opcode字段:这个是用来标志这是个什么类型的数据帧。比如。

  • 等于 1 ,是指text类型(string)的数据包
  • 等于 2 ,是二进制数据类型([]byte)的数据包
  • 等于 8 ,是关闭连接的信号

payload字段:存放的是我们真正想要传输的数据的长度,单位是字节。比如你要发送的数据是字符串"111",那它的长度就是3

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另外,可以看到,我们存放** payload 长度的字段有好几个**,我们既可以用最前面的7bit, 也可以用后面的7+16bit 或 7+64bit。

那么问题就来了。

我们知道,在数据层面,大家都是 01 二进制流。我怎么知道什么情况下应该读 7 bit,什么情况下应该读7+16bit呢?

WebSocket会用最开始的7bit做标志位。不管接下来的数据有多大,都先读最先的7个bit,根据它的取值决定还要不要再读个 16bit 或 64bit。

  • 如果最开始的7bit的值是 0~125,那么它就表示了 payload 全部长度,只读最开始的7个bit就完事了。

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  • 如果是126(0x7E)。那它表示payload的长度范围在 126~65535 之间,接下来还需要再读16bit。这16bit会包含payload的真实长度。

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  • 如果是127(0x7F)。那它表示payload的长度范围>=65536,接下来还需要再读64bit。这64bit会包含payload的长度。这能放2的64次方byte的数据,换算一下好多个TB,肯定够用了。

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payload data字段:这里存放的就是真正要传输的数据,在知道了上面的payload长度后,就可以根据这个值去截取对应的数据。

大家有没有发现一个小细节,WebSocket的数据格式也是数据头(内含payload长度) + payload data 的形式。

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这是因为 TCP 协议本身就是全双工,但直接使用纯裸TCP去传输数据,会有粘包的"问题"。为了解决这个问题,上层协议一般会用消息头+消息体的格式去重新包装要发的数据。

消息头里一般含有消息体的长度,通过这个长度可以去截取真正的消息体。

HTTP 协议和大部分 RPC 协议,以及我们今天介绍的WebSocket协议,都是这样设计的。

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# WebSocket的使用场景

WebSocket完美继承了 TCP 协议的全双工能力,并且还贴心的提供了解决粘包的方案。

它适用于需要服务器和客户端(浏览器)频繁交互的大部分场景,比如网页/小程序游戏,网页聊天室,以及一些类似飞书这样的网页协同办公软件。

回到文章开头的问题,在使用 WebSocket 协议的网页游戏里,怪物移动以及攻击玩家的行为是服务器逻辑产生的,对玩家产生的伤害等数据,都需要由服务器主动发送给客户端,客户端获得数据后展示对应的效果。

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# 总结

  • TCP 协议本身是全双工的,但我们最常用的 HTTP/1.1,虽然是基于 TCP 的协议,但它是半双工的,对于大部分需要服务器主动推送数据到客户端的场景,都不太友好,因此我们需要使用支持全双工的 WebSocket 协议。
  • 在 HTTP/1.1 里,只要客户端不问,服务端就不答。基于这样的特点,对于登录页面这样的简单场景,可以使用定时轮询或者长轮询的方式实现服务器推送(comet)的效果。
  • 对于客户端和服务端之间需要频繁交互的复杂场景,比如网页游戏,都可以考虑使用 WebSocket 协议。
  • WebSocket 和 socket 几乎没有任何关系,只是叫法相似。
  • 正因为各个浏览器都支持 HTTP协 议,所以 WebSocket 会先利用HTTP协议加上一些特殊的 header 头进行握手升级操作,升级成功后就跟 HTTP 没有任何关系了,之后就用 WebSocket 的数据格式进行收发数据。

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上次更新: 10/27/2022, 10:31:36 PM