浅析即时通讯开发中HTTP与WebSocket的关系

Posted 2022-08-18 wecloud1314

为什么要用WebSocket来替代HTTP

上一篇中提到WebSocket的目的就是解决传统Web网络传输中的双向通信的问题，HTTP1.1默认使用持久连接（persistent connection），在一个TCP连接上也可以传输多个Request/Response消息对，但是HTTP的基本模型还是一个Request对应一个Response。

以IM聊天系统为例，客户端要向服务器传送数据，同时服务器也需要实时的向客户端传送信息，一个聊天系统就是典型的双向通信。

 

要实现Web端双向通信，一般会使用这样几种解决方案：

    1）轮询（polling）：轮询就会造成对网络和通信双方的资源的浪费，且非实时；
    2）长轮询：客户端发送一个超时时间很长的Request，服务器hold住这个连接，在有新数据到达时返回Response，相比#1，占用的网络带宽少了，其他类似；
    3）长连接：其实有些人对长连接的概念是模糊不清的，我这里讲的其实是HTTP的长连接（1）。如果你使用Socket来建立TCP的长连接（2），那么，这个长连接（2）跟我们这里要讨论的WebSocket是一样的，实际上TCP长连接就是WebSocket的基础，但是如果是HTTP的长连接，本质上还是Request/Response消息对，仍然会造成资源的浪费、实时性不强等问题。

WebSocket协议基础

WebSocket的目的是取代HTTP在双向通信场景下的使用，而且它的实现方式有些也是基于HTTP的（WS的默认端口是80和443）。现有的网络环境（客户端、服务器、网络中间人、代理等）对HTTP都有很好的支持，所以这样做可以充分利用现有的HTTP的基础设施，有点向下兼容的意味。

简单来讲，WS协议有两部分组成：握手和数据传输。

出于兼容性的考虑，WS的握手使用HTTP来实现（此文档中提到未来有可能会使用专用的端口和方法来实现握手），客户端的握手消息就是一个「普通的，带有Upgrade头的，HTTP Request消息」。

可以看到，前两行跟HTTP的Request的起始行一模一样，而真正在WS的握手过程中起到作用的是下面几个header域：

    1）Upgrade：upgrade是HTTP1.1中用于定义转换协议的header域。它表示，如果服务器支持的话，客户端希望使用现有的「网络层」已经建立好的这个「连接（此处是TCP连接）」，切换到另外一个「应用层」（此处是WebSocket）协议；
    2）Connection：HTTP1.1中规定Upgrade只能应用在「直接连接」中，所以带有Upgrade头的HTTP1.1消息必须含有Connection头，因为Connection头的意义就是，任何接收到此消息的人（往往是代理服务器）都要在转发此消息之前处理掉Connection中指定的域（不转发Upgrade域）。如果客户端和服务器之间是通过代理连接的，那么在发送这个握手消息之前首先要发送CONNECT消息来建立直接连接；即时通讯聊天软件app开发可以加蔚可云的v：weikeyun24咨询

    3）Sec-WebSocket-＊：第7行标识了客户端支持的子协议的列表（关于子协议会在下面介绍），第8行标识了客户端支持的WS协议的版本列表，第5行用来发送给服务器使用（服务器会使用此字段组装成另一个key值放在握手返回信息里发送客户端）；
    4）Origin：作安全使用，防止跨站攻击，浏览器一般会使用这个来标识原始域。

 

如果服务器接受了这个请求，可能会发送如下这样的返回信息，这是一个标准的HTTP的Response消息。101表示服务器收到了客户端切换协议的请求，并且同意切换到此协议。

在握手之前，客户端首先要先建立连接，一个客户端对于一个相同的目标地址（通常是域名或者IP地址，不是资源地址）同一时刻只能有一个处于CONNECTING状态（就是正在建立连接）的连接。

从建立连接到发送握手消息这个过程大致是这样的：

    1）客户端检查输入的Uri是否合法。
    2）客户端判断，如果当前已有指向此目标地址（IP地址）的连接（A）仍处于CONNECTING状态，需要等待这个连接（A）建立成功，或者建立失败之后才能继续建立新的连接：
      - PS：如果当前连接是处于代理的网络环境中，无法判断IP地址是否相同，则认为每一个Host地址为一个单独的目标地址，同时客户端应当限制同时处于CONNECTING状态的连接数；
      - PPS：这样可以防止一部分的DDOS攻击；
      - PPPS：客户端并不限制同时处于「已成功」状态的连接数，但是如果一个客户端「持有大量已成功状态的连接的」，服务器或许会拒绝此客户端请求的新连接。
    3）如果客户端处于一个代理环境中，它首先要请求它的代理来建立一个到达目标地址的TCP连接：
    例如，如果客户端处于代理环境中，它想要连接某目标地址的80端口，它可能要收现发送以下消息：
           CONNECT example.com:80 HTTP/1.1
           Host: example.com
    如果客户端没有处于代理环境中，它就要首先建立一个到达目标地址的直接的TCP连接。

如果上一步中的TCP连接建立失败，则此WebSocket连接失败。如果协议是wss，则在上一步建立的TCP连接之上，使用TSL发送握手信息。如果失败，则此WebSocket连接失败；如果成功，则以后的所有数据都要通过此TSL通道进行发送。

客户端握手信息的要求：

    握手必须是RFC2616中定义的Request消息
    此Request消息的方法必须是GET，HTTP版本必须大于1.1 ：
      - 以下是某WS的Uri对应的Request消息：
      - ws://example.com/chat
      - GET /chat HTTP/1.1
    此Request消息中Request-URI部分（RFC2616中的概念）所定义的资型必须和WS协议的Uri中定义的资源相同。
    此Request消息中必须含有Host头域，其内容必须和WS的Uri中定义的相同。
    此Request消息必须包含Upgrade头域，其内容必须包含websocket关键字。
    此Request消息必须包含Connection头域，其内容必须包含Upgrade指令。
    此Request消息必须包含Sec-WebSocket-Key头域，其内容是一个Base64编码的16位随机字符。
    如果客户端是浏览器，此Request消息必须包含Origin头域，其内容是参考RFC6454。
    此Request消息必须包含Sec-WebSocket-Version头域，在此协议中定义的版本号是13。
    此Request消息可能包含Sec-WebSocket-Protocol头域，其意义如上文中所述。
    此Request消息可能包含Sec-WebSocket-Extensions头域，客户端和服务器可以使用此header来进行一些功能的扩展。
    此Request消息可能包含任何合法的头域。如RFC2616中定义的那些。

接收到Response握手消息之后：

    如果返回的返回码不是101，则按照RFC2616进行处理。如果是101，进行下一步，开始解析header域，所有header域的值不区分大小写；
    判断是否含有Upgrade头，且内容包含websocket；
    判断是否含有Connection头，且内容包含Upgrade；
    判断是否含有Sec-WebSocket-Accept头，其内容在下面介绍；
    如果含有Sec-WebSocket-Extensions头，要判断是否之前的Request握手带有此内容，如果没有，则连接失败；
    如果含有Sec-WebSocket-Protocol头，要判断是否之前的Request握手带有此协议，如果没有，则连接失败。