WebSocket和socket介绍

B/S结构的软件项目中有时客户端需要实时的获得服务器消息，但默认HTTP协议只支持请求响应模式，这样做可以简化Web服务器，减少服务器的负担，加快响应速度，因为服务器不需要与客户端长时间建立一个通信链接，但不容易直接完成实时的消息推送功能，如聊天室、后台信息提示、实时更新数据等功能，但通过polling、Long polling、长连接、Flash Socket以及HTML5中定义的WebSocket能完成该功能需要。

一、Socket简介

Socket又称”套接字”，应用程序通常通过”套接字”向网络发出请求或者应答网络请求。Socket的英文原义是“孔”或“插座”，作为UNIX的进程通信机制。Socket可以实现应用程序间网络通信。
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Socket可以使用TCP/IP协议或UDP协议。
TCP/IP协议

TCP/IP协议是目前应用最为广泛的协议，是构成Internet国际互联网协议的最为基础的协议,由TCP和IP协议组成:
TCP协议:面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，负责数据的可靠性传输的问题。

IP协议:用于报文交换网络的一种面向数据的协议，主要负责给每台网络设备一个网络地址，保证数据传输到正确的目的地。
UDP协议

UDP特点：无连接、不可靠、基于报文的传输层协议，优点是发送后不用管，速度比TCP快

二 websocket

B/S架构的系统多使用HTTP协议，HTTP协议的特点：

1 无状态协议
2 用于通过 Internet 发送请求消息和响应消息
3 使用端口接收和发送消息，默认为80端口
底层通信还是使用Socket完成。

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HTTP协议决定了服务器与客户端之间的连接方式，无法直接实现消息推送（F5已坏）,一些变相的解决办法：

双向通信与消息推送

轮询：客户端定时向服务器发送Ajax请求，服务器接到请求后马上返回响应信息并关闭连接。优点：后端程序编写比较容易。缺点：请求中有大半是无用，浪费带宽和服务器资源。实例：适于小型应用。

长轮询：客户端向服务器发送Ajax请求，服务器接到请求后hold住连接，直到有新消息才返回响应信息并关闭连接，客户端处理完响应信息后再向服务器发送新的请求。优点：在无消息的情况下不会频繁的请求，耗费资小。缺点：服务器hold连接会消耗资源，返回数据顺序无保证，难于管理维护。 Comet异步的ashx，实例：WebQQ、Hi网页版、Facebook IM。

长连接：在页面里嵌入一个隐蔵iframe，将这个隐蔵iframe的src属性设为对一个长连接的请求或是采用xhr请求，服务器端就能源源不断地往客户端输入数据。优点：消息即时到达，不发无用请求；管理起来也相对便。缺点：服务器维护一个长连接会增加开销。实例：Gmail聊天

Flash Socket：在页面中内嵌入一个使用了Socket类的 Flash 程序JavaScript通过调用此Flash程序提供的Socket接口与服务器端的Socket接口进行通信，JavaScript在收到服务器端传送的信息后控制页面的显示。优点：实现真正的即时通信，而不是伪即时。缺点：客户端必须安装Flash插件；非HTTP协议，无法自动穿越防火墙。实例：网络互动游戏。

Websocket:
WebSocket是HTML5开始提供的一种浏览器与服务器间进行全双工通讯的网络技术。依靠这种技术可以实现客户端和服务器端的长连接，双向实时通信。
特点:
事件驱动
异步
使用ws或者wss协议的客户端socket

能够实现真正意义上的推送功能

缺点：

少部分浏览器不支持，浏览器支持的程度与方式有区别。

WebSocket是html5新增加的一种通信协议，目前流行的浏览器都支持这个协议，例如 Chrome，Safrie，Firefox，Opera，IE等等，对该协议支持最早的应该是chrome，从chrome12就已经开始支持，随着协议草案的不断变化，各个浏览器对协议的实现也在不停的更新。该协议还是草案，没有成为标准，不过成为标准应该只是时间问题了。

1. WebSocket API

首先看一段简单的javascript代码，该代码调用了WebSockets的API。

var ws = new WebSocket(“ws://echo.websocket.org”);

ws.onopen = function(){ws.send(“Test!”); };

ws.onmessage = function(evt){console.log(evt.data);ws.close();};

ws.onclose = function(evt){console.log(“WebSocketClosed!”);};

ws.onerror = function(evt){console.log(“WebSocketError!”);};

这份代码总共只有5行，现在简单概述一下这5行代码的意义。

第一行代码是在申请一个WebSocket对象，参数是需要连接的服务器端的地址，同http协议使用http://开头一样，WebSocket协议的URL使用ws://开头，另外安全的WebSocket协议使用wss://开头。

第二行到第五行为WebSocket对象注册消息的处理函数，WebSocket对象一共支持四个消息 onopen, onmessage, onclose和onerror；
当Browser和WebSocketServer连接成功后，会触发onopen消息；
如果连接失败，发送、接收数据失败或者处理数据出现错误，browser会触发onerror消息；当Browser接收到WebSocketServer发送过来的数据时，就会触发 onmessage消息，参数evt中包含server传输过来的数据；
当Browser接收到WebSocketServer端发送的关闭连接请求时，就会触发onclose消息。
我们可以看出所有的操作都是采用消息的方式触发的，这样就不会阻塞UI，使得UI有更快的响应时间，得到更好的用户体验。

1.1、WebSocket客户端

websocket允许通过JavaScript建立与远程服务器的连接，从而实现客户端与服务器间双向的通信。在websocket中有两个方法：　　
　　　　1、send() 向远程服务器发送数据
　　　　2、close() 关闭该websocket链接
　　websocket同时还定义了几个监听函数　　　　
　　　　1、onopen 当网络连接建立时触发该事件
　　　　2、onerror 当网络发生错误时触发该事件
　　　　3、onclose 当websocket被关闭时触发该事件
　　　　4、onmessage 当websocket接收到服务器发来的消息的时触发的事件，也是通信中最重要的一个监听事件。msg.data
　　websocket还定义了一个readyState属性，这个属性可以返回websocket所处的状态：
　　　　1、CONNECTING(0) websocket正尝试与服务器建立连接
　　　　2、OPEN(1) websocket与服务器已经建立连接
　　　　3、CLOSING(2) websocket正在关闭与服务器的连接
　　　　4、CLOSED(3) websocket已经关闭了与服务器的连接

　　websocket的url开头是ws，如果需要ssl加密可以使用wss，当我们调用websocket的构造方法构建一个websocket对象（new WebSocket(url)）的之后，就可以进行即时通信了。

<!DOCTYPE html>
<html>

    <head>
        <meta name="viewport" content="width=device-width" />
        <title>WebSocket 客户端</title>
    </head>

    <body>
        <div>
            <input type="button" id="btnConnection" value="连接" />
            <input type="button" id="btnClose" value="关闭" />
            <input type="button" id="btnSend" value="发送" />
        </div>
        <script src="js/jquery-1.11.1.min.js" type="text/javascript" charset="utf-8"></script>
        <script type="text/javascript">
            var socket;
            if(typeof(WebSocket) == "undefined") {
                alert("您的浏览器不支持WebSocket");
                return;
            }

            $("#btnConnection").click(function() {
                //实现化WebSocket对象，指定要连接的服务器地址与端口
                socket = new WebSocket("ws://192.168.1.2:8888");
                //打开事件
                socket.onopen = function() {
                    alert("Socket 已打开");
                    //socket.send("这是来自客户端的消息" + location.href + new Date());
                };
                //获得消息事件
                socket.onmessage = function(msg) {
                    alert(msg.data);
                };
                //关闭事件
                socket.onclose = function() {
                    alert("Socket已关闭");
                };
                //发生了错误事件
                socket.onerror = function() {
                    alert("发生了错误");
                }
            });

            //发送消息
            $("#btnSend").click(function() {
                socket.send("这是来自客户端的消息" + location.href + new Date());
            });

            //关闭
            $("#btnClose").click(function() {
                socket.close();
            });
        </script>
    </body>

</html>

2 为什么引入WebSocket协议？

Browser已经支持http协议，为什么还要开发一种新的WebSocket协议呢？我们知道http协议是一种单向的网络协议，在建立连接后，它只允许Browser/UA（UserAgent）向WebServer发出请求资源后，WebServer才能返回相应的数据。而WebServer不能主动的推送数据给Browser/UA，当初这么设计http协议也是有原因的，假设WebServer能主动的推送数据给Browser/UA，那 Browser/UA就太容易受到攻击，一些广告商也会主动的把一些广告信息在不经意间强行的传输给客户端，这不能不说是一个灾难。那么单向的http协议给现在的网站或Web应用程序开发带来了哪些问题呢？

让我们来看一个案例，现在假设我们想开发一个基于Web的应用程序去获取当前Web服务器的实时数据，例如股票的实时行情，火车票的剩余票数等等，这就需要Browser/UA与WebServer端之间反复的进行http通信，Browser不断的发送Get请求，去获取当前的实时数据。下面介绍几种常见的方式：

1. Polling

这种方式就是通过Browser/UA定时的向Web服务器发送http的Get请求，服务器收到请求后，就把最新的数据发回给客户端（Browser /UA），Browser/UA得到数据后，就将其显示出来，然后再定期的重复这一过程。虽然这样可以满足需求，但是也仍然存在一些问题，例如在某段时间内Web服务器端没有更新的数据，但是Browser/UA仍然需要定时的发送Get请求过来询问，那么Web服务器就把以前的老数据再传送过来，Browser/UA把这些没有变化的数据再显示出来，这样显然既浪费了网络带宽，又浪费了CPU的利用率。如果说把Browser发送Get请求的周期调大一些，就可以缓解这一问题，但是如果在Web服务器端的数据更新很快时，这样又不能保证Web应用程序获取数据的实时性。

2. Long Polling

上面介绍了Polling遇到的问题，现在介绍一下LongPolling，它是对Polling的一种改进。

Browser/UA发送Get请求到Web服务器，这时Web服务器可以做两件事情，第一，如果服务器端有新的数据需要传送，就立即把数据发回给 Browser/UA，Browser/UA收到数据后，立即再发送Get请求给Web Server；第二，如果服务器端没有新的数据需要发送，这里与Polling方法不同的是，服务器不是立即发送回应给Browser/UA，而是把这个请求保持住，等待有新的数据到来时，再来响应这个请求；当然了，如果服务器的数据长期没有更新，一段时间后，这个Get请求就会超时，Browser/UA收到超时消息后，再立即发送一个新的Get请求给服务器。然后依次循环这个过程。

这种方式虽然在某种程度上减小了网络带宽和CPU利用率等问题，但是仍然存在缺陷，例如假设服务器端的数据更新速率较快，服务器在传送一个数据包给 Browser后必须等待Browser的下一个Get请求到来，才能传递第二个更新的数据包给Browser，那么这样的话，Browser显示实时数据最快的时间为2×RTT（往返时间），另外在网络拥塞的情况下，这个应该是不能让用户接受的。另外，由于http数据包的头部数据量往往很大（通常有 400多个字节），但是真正被服务器需要的数据却很少（有时只有10个字节左右），这样的数据包在网络上周期性的传输，难免对网络带宽是一种浪费。

通过上面的分析可知，要是在Browser能有一种新的网络协议，能支持客户端和服务器端的双向通信，而且协议的头部又不那么庞大就好了。WebSocket就是肩负这样一个使命登上舞台的。

3 websocket协议

WebSocket协议是一种双向通信协议，它建立在TCP之上，同http一样通过TCP来传输数据，但是它和http最大的不同有两点：1.WebSocket是一种双向通信协议，在建立连接后，WebSocket服务器和Browser/UA都能主动的向对方发送或接收数据，就像 Socket一样，不同的是WebSocket是一种建立在Web基础上的一种简单模拟Socket的协议；2.WebSocket需要通过握手连接，类似于TCP它也需要客户端和服务器端进行握手连接，连接成功后才能相互通信。

下面是一个简单的建立握手的时序图：

这里写图片描述

这里简单说明一下WebSocket握手的过程。

当Web应用程序调用new WebSocket(url)接口时，Browser就开始了与地址为url的WebServer建立握手连接的过程。

Browser与WebSocket服务器通过TCP三次握手建立连接，如果这个建立连接失败，那么后面的过程就不会执行，Web应用程序将收到错误消息通知。
在TCP建立连接成功后，Browser/UA通过http协议传送WebSocket支持的版本号，协议的字版本号，原始地址，主机地址等等一些列字段给服务器端。

例如：

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

WebSocket服务器收到Browser/UA发送来的握手请求后，如果数据包数据和格式正确，客户端和服务器端的协议版本号匹配等等，就接受本次握手连接，并给出相应的数据回复，同样回复的数据包也是采用http协议传输。

HTTP/1.1 101 Switching Protocols

Upgrade: websocket

Connection: Upgrade

Sec-WebSocket-Accept:s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

Sec-WebSocket-Protocol: chat

Browser收到服务器回复的数据包后，如果数据包内容、格式都没有问题的话，就表示本次连接成功，触发onopen消息，此时Web开发者就可以在此时通过send接口想服务器发送数据。否则，握手连接失败，Web应用程序会收到 onerror消息，并且能知道连接失败的原因。

4 websocket与TCP,HTTP的关系

WebSocket与http协议一样都是基于TCP的，所以他们都是可靠的协议，Web开发者调用的WebSocket的send函数在browser 的实现中最终都是通过TCP的系统接口进行传输的。WebSocket和Http协议一样都属于应用层的协议，那么他们之间有没有什么关系呢？答案是肯定的，WebSocket在建立握手连接时，数据是通过http协议传输的，正如我们上一节所看到的“GET/chat HTTP/1.1”，这里面用到的只是http协议一些简单的字段。但是在建立连接之后，真正的数据传输阶段是不需要http协议参与的。

具体关系可以参考下图：
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