今天，咱们来探一探WebSocket原理

时间 2020-02-11

标签今天咱们一探 websocket 原理繁體版

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级别：★★☆☆☆
标签：「WebSocket」「Starscream」
做者： 647
审校：沐灵洛php

前言：
前段时间，在公司的项目中用到了WebSocket，当时没有时间好好整理。
最近，趁着有时间，就好好梳理了一下WebSocket的相关知识。git

本篇将介绍如下内容：
一、什么是WebSocket？
二、WebSocket使用场景
三、WebSocket底层原理（协议）
四、iOS中WebSocket的相关框架github

1、什么是 WebSocket ？

WebSocket = “HTTP第1次握手” + TCP的“全双工“通讯的网络协议。web

主要过程：objective-c

首先，经过HTTP第一次握手保证链接成功。
其次，再经过TCP实现浏览器与服务器全双工(full-duplex)通讯。（经过不断发ping包、pang包保持心跳）

最终，使得 “服务端” 拥有 “主动” 发消息给 “客户端” 的能力。swift

这里有几个重点：浏览器

WebSocket是基于TCP的上部应用层网络协议。
它依赖于HTTP的第一次握手成功 + 以后的TCP双向通讯。

2、WebSocket 应用场景

1. IM（即时通信）

典型例子：微信、QQ等固然，用户量若是很是大的话，仅仅依靠WebSocket确定是不够的，各大厂应该也有本身的一些优化的方案与措施。但对于用户量不是很大的即时通信需求，使用WebSocket是一种不错的方案。服务器

2. 游戏（多人对战）

典型例子：王者荣耀等（应该都玩过）微信

3. 协同编辑（共享文档）

多人同时编辑同一份文档时，能够实时看到对方的操做。这时，就用上了WebSocket。websocket

4. 直播/视频聊天

对音频/视频须要较高的实时性。

5. 股票/基金等金融交易平台

对于股票/基金的交易来讲，每一秒的价格可能都会发生变化。

6. IoT（物联网 / 智能家居）

例如，咱们的App须要实时的获取智能设备的数据与状态。这时，就须要用到WebSocket。

...... 等等等等

只要是一些对 “实时性” 要求比较高的需求，可能就会用到WebSocket。

3、WebSocket 底层原理

WebSocket是一个网络上的应用层协议，它依赖于HTTP协议的第一次握手，握手成功后，数据就经过TCP/IP协议传输了。

WebSocket分为握手阶段和数据传输阶段，即进行了HTTP一次握手 + 双工的TCP链接。

一、握手阶段

首先，客户端发送消息：

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.qishare.org
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Origin: http://qishare.org
Sec-WebSocket-Version: 13
复制代码

而后，服务端返回消息：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
复制代码

这里值得注意的是Sec-WebSocket-Accept的计算方法： base64(hsa1(sec-websocket-key + 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11))

若是这个Sec-WebSocket-Accept计算错误，浏览器会提示：Sec-WebSocket-Accept dismatch；
若是返回成功，Websocket就会回调onopen事件

二、传输阶段

WebSocket是以 frame 的形式传输数据的。好比会将一条消息分为几个frame，按照前后顺序传输出去。

这样作会有几个好处：

较大的数据能够分片传输，不用考虑到数据大小致使的长度标志位不足够的状况。
和HTTP的chunk同样，能够边生成数据边传递消息，即提升传输效率。

WebSocket传输过程使用的报文，以下所示：

具体的参数说明以下：

FIN（1 bit）： 表示信息的最后一帧，flag，也就是标记符。 PS：固然第一个消息片段也多是最后的一个消息片段；
RSV一、RSV二、RSV3（均为1 bit）： 默认均为0。若是有约定自定义协议则不为0，通常均为0。（协议扩展用）
Opcode（4 bit）： 定义有效负载数据，若是收到了一个未知的操做码，链接也必须断掉，如下是定义的操做码：

操做码	含义
%x0	连续消息片段
%x1	文本消息片段
%x2	二进制消息片段
%x3-7	（预留位）为未来的非控制消息片段保留的操做码。
%x8	链接关闭
%x9	心跳检查ping
%xA	心跳检查pong
%xB-F	（预留位）为未来的控制消息片段的保留操做码。

Mask（1 bit）： 是否传输数据添加掩码。若为1，掩码必须放在masking-key区域。（后面会提到..）注：客户端给服务端发消息Mask值均为1。
Payload length： Payload字段用来存储传输数据的长度。

自己Payload报文字段的大小可能有三种状况：7 bit、7+16 bit、7+64 bit。

第一种：7 bit，表示从0000000 ~ 1111101（即0~125），表示当前数据的length大小（较小数据，最大长度为125）。

第二种：(7+16) bit：前7位为1111110（即126），126表明后面会跟着2个字节无符号数，用来存储数据length大小（长度最小126，最大为65 535）。

第三种：(7+64) bit：前7位为1111111（即127），127表明后面会跟着8个字节无符号数，用来存储数据length大小（长度最小为65536，最大为2^16-1）。

Payload报文长度	所传输的数据大小区间
7 bit	[ 0, 125]
7 +16 bit	[ 126 , 65535]
7 + 64 bit	[ 65536, 2^16 -1]

说明：
传输数据的长度，以字节的形式表示：7位、7+16位、或者7+64位。
1）若是这个值以字节表示是0-125这个范围，那这个值就表示传输数据的长度；
2）若是这个值是126，则随后的2个字节表示的是一个16进制无符号数，用来表示传输数据的长度；
3）若是这个值是127，则随后的是8个字节表示的一个64位无符号数，这个数用来表示传输数据的长度。

Masking-key（0 bit / 4 bit）：
0 bit：说明mask值不为1，无掩码。
4 bit：说明mask值为1，添加掩码。

PS：客户端发送给服务端数据时，mask均为1。同时，Masking-key会存储一个32位的掩码。

Payload data（x+y byte）： 负载数据为扩展数据及应用数据长度之和。
Extension data（x byte）： 若是客户端与服务端之间没有特殊约定，那么扩展数据的长度始终为0，任何的扩展都必须指定扩展数据的长度，或者长度的计算方式，以及在握手时如何肯定正确的握手方式。若是存在扩展数据，则扩展数据就会包括在负载数据的长度以内。
Application data（y byte）： 任意的应用数据，放在扩展数据以后。 应用数据的长度 = 负载数据的长度 - 扩展数据的长度 即：Application data = Payload data - Extension data

4、iOS 中 WebSocket 相关框架

WebSocket（iOS客户端）：

Starscream（swift）： Websockets in swift for iOS and OSX.（star 5k+）
SocketRocket（objective-c）： A conforming Objective-C WebSocket client library.（star：8k+）
SwiftWebSocket（swift）： Fast Websockets in Swift for iOS and OSX.（star：1k+）

Socket（iOS客户端）：

CocoaAsyncSocket： Asynchronous socket networking library for Mac and iOS.（star：11k+）
socket.io-client-swift： Socket.IO-client for iOS/OS X.（star：4k+）

下一篇，咱们将用Starscream写一个简单的客户端WebSocket Demo。

相关参考连接：
《微信,QQ这类IM app怎么作——谈谈Websocket》（冰霜大佬）
《WebSocket的实现原理》 `

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