WebSocket 协议完全指南：从入门到实战

在现代 Web 开发中，实时双向通信已经成为不可或缺的需求。WebSocket 作为一种全新的网络通信协议，完美解决了传统 HTTP 协议在实时通信方面的不足。本文将从 WebSocket 的基本原理入手，带您深入了解这一强大的技术，并提供完整的实战案例。

什么是WebSocket

定义

Websocket是一个持久化的网络通信协议，可以在单个 TCP 连接上进行全双工通讯，没有了Request和Response的概念，两者地位完全平等，连接一旦建立，客户端和服务端之间实时可以进行双向数据传输

关联和区别

  • HTTP
  1. HTTP是非持久的协议，客户端想知道服务端的处理进度只能通过不停地使用 Ajax进行轮询或者采用 long poll 的方式来，但是前者对服务器压力大，后者则会因为一直等待Response造成阻塞 img
  2. 虽然http1.1默认开启了keep-alive长连接保持了这个TCP通道使得在一个HTTP连接中，可以发送多个Request，接收多个Response，但是一个request只能有一个response。而且这个response也是被动的，不能主动发起。
  3. websocket虽然是独立于HTTP的一种协议，但是websocket必须依赖 HTTP 协议进行一次握手(在握手阶段是一样的)，握手成功后，数据就直接从 TCP通道传输，与 HTTP 无关了，可以用一张图理解两者有交集，但是并不是全部。 img
  • socket
  1. socket也被称为套接字，与HTTP和WebSocket不一样，socket不是协议，它是在程序层面上对传输层协议（可以主要理解为TCP/IP）的接口封装。可以理解为一个能够提供端对端的通信的调用接口（API）
  2. 对于程序员而言，其需要在 A 端创建一个 socket 实例，并为这个实例提供其所要连接的 B 端的 IP 地址和端口号，而在 B 端创建另一个 socket 实例，并且绑定本地端口号来进行监听。当 A 和 B 建立连接后，双方就建立了一个端对端的 TCP 连接，从而可以进行双向通信。WebSocekt借鉴了 socket 的思想，为 client 和 server 之间提供了类似的双向通信机制

应用场景

WebSocket可以做弹幕、消息订阅、多玩家游戏、协同编辑、股票基金实时报价、视频会议、在线教育、聊天室等应用实时监听服务端变化

Websocket握手

  • Websocket握手请求报文：
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makefile 体验AI代码助手 代码解读复制代码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

下面是与传统 HTTP 报文不同的地方：

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makefile 体验AI代码助手 代码解读复制代码Upgrade: websocket
Connection: Upgrade

表示发起的是 WebSocket 协议

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makefile 体验AI代码助手 代码解读复制代码Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13

Sec-WebSocket-Key 是由浏览器随机生成的，验证是否可以进行Websocket通信，防止恶意或者无意的连接。

Sec_WebSocket-Protocol 是用户自定义的字符串，用来标识服务所需要的协议

Sec-WebSocket-Version 表示支持的 WebSocket 版本。

  • 服务器响应：
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makefile 体验AI代码助手 代码解读复制代码HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk=
Sec-WebSocket-Protocol: chat

101 响应码 表示要转换协议。

Connection: Upgrade 表示升级新协议请求。

Upgrade: websocket 表示升级为 WebSocket 协议。

Sec-WebSocket-Accept 是经过服务器确认，并且加密过后的 Sec-WebSocket-Key。用来证明客户端和服务器之间能进行通信了。

Sec-WebSocket-Protocol 表示最终使用的协议。

至此，客户端和服务器握手成功建立了Websocket连接，HTTP已经完成它所有工作了，接下来就是完全按照Websocket协议进行通信了。

关于Websocket

WebSocket心跳

可能会有一些未知情况导致SOCKET断开，而客户端和服务端却不知道，需要客户端定时发送一个心跳 Ping 让服务端知道自己在线，而服务端也要回复一个心跳 Pong告诉客户端自己可用，否则视为断开

WebSocket状态

WebSocket 对象中的readyState属性有四种状态：

  • 0: 表示正在连接
  • 1: 表示连接成功，可以通信了
  • 2: 表示连接正在关闭
  • 3: 表示连接已经关闭，或者打开连接失败

WebSocket实践

服务端接收发送消息

WebSocket的服务端部分，本文会以Node.js搭建

安装express和负责处理WebSocket协议的ws：

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 体验AI代码助手
 代码解读
复制代码npm install express ws

安装成功后的package.json:

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接着在根目录创建server.js文件:

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javascript 体验AI代码助手 代码解读复制代码//引入express 和 ws
const express = require('express');
const SocketServer = require('ws').Server;

//指定开启的端口号
const PORT = 3000;

// 创建express，绑定监听3000端口，且设定开启后在consol中提示
const server = express().listen(PORT, () => console.log(`Listening on ${PORT}`));

// 将express交给SocketServer开启WebSocket的服务
const wss = new SocketServer({ server });

//当 WebSocket 从外部连接时执行
wss.on('connection', (ws) => {
  //连接时执行此 console 提示
  console.log('Client connected');

  // 对message设置监听，接收从客户端发送的消息
  ws.on('message', (data) => {
    //data为客户端发送的消息，将消息原封不动返回回去
    ws.send(data);
  });

  // 当WebSocket的连接关闭时执行
  ws.on('close', () => {
    console.log('Close connected');
  });
});

执行node server.js启动服务，端口打开后会执行监听时间打印提示，说明服务启动成功

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在开启WebSocket后，服务端会在message中监听，接收参数data捕获客户端发送的消息，然后使用send发送消息

客户端接收发送消息

分别在根目录创建index.html和index.js文件

  • index.html
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xml 体验AI代码助手 代码解读复制代码<html>
  <body>
    <script src="./index.js"></script>
  </body>
</html>
  • index.js
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ini 体验AI代码助手 代码解读复制代码// 使用WebSocket的地址向服务端开启连接
let ws = new WebSocket('ws://localhost:3000');

// 开启后的动作，指定在连接后执行的事件
ws.onopen = () => {
  console.log('open connection');
};

// 接收服务端发送的消息
ws.onmessage = (event) => {
  console.log(event);
};

// 指定在关闭后执行的事件
ws.onclose = () => {
  console.log('close connection');
};

上面的url就是本机node开启的服务地址，分别指定连接（onopen），关闭（onclose）和消息接收（onmessage）的执行事件，访问html，打印ws信息

img

打印了open connection说明连接成功，客户端会使用onmessage处理接收

其中event参数包含这次沟通的详细信息，从服务端回传的消息会在event的data属性中。

手动在控制台调用send发送消息，打印event回传信息:

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服务端定时发送

上面是从客户端发送消息，服务端回传。我们也可以通过setInterval让服务端在固定时间发送消息给客户端:

server.js修改如下:

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javascript 体验AI代码助手 代码解读复制代码//当WebSocket从外部连接时执行
wss.on('connection', (ws) => {
  //连接时执行此 console 提示
  console.log('Client connected');

+  //固定发送最新消息给客户端
+  const sendNowTime = setInterval(() => {
+    ws.send(String(new Date()));
+  }, 1000);

-  //对message设置监听，接收从客户端发送的消息
-  ws.on('message', (data) => {
-    //data为客户端发送的消息，将消息原封不动返回回去
-    ws.send(data);
-  });

  //当 WebSocket的连接关闭时执行
  ws.on('close', () => {
    console.log('Close connected');
  });
});

客户端连接后就会定时接收，直至我们关闭websocket服务

img

多人聊天

如果多个客户端连接按照上面的方式只会返回各自发送的消息，先注释服务端定时发送，开启两个窗口模拟：

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如果我们要让客户端间消息共享，也同时接收到服务端回传的消息呢？

我们可以使用clients找出当前所有连接中的客户端 ，并通过回传消息发送到每一个客户端 中：

修改server.js如下:

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javascript 体验AI代码助手 代码解读复制代码...

//当WebSocket从外部连接时执行
wss.on('connection', (ws) => {
  //连接时执行此 console 提示
  console.log('Client connected');

-  //固定发送最新消息给客户端
-  const sendNowTime = setInterval(() => {
-    ws.send(String(new Date()));
- }, 1000);

+  //对message设置监听，接收从客户端发送的消息
+   ws.on('message', (data) => {
+    //取得所有连接中的 客户端
+    let clients = wss.clients;
+    //循环，发送消息至每个客户端
+    clients.forEach((client) => {
+      client.send(data);
+    });
+   });

  //当WebSocket的连接关闭时执行
  ws.on('close', () => {
    console.log('Close connected');
  });
});

这样一来，不论在哪个客户端发送消息，服务端都能将消息回传到每个客户端 ： img 可以观察下连接信息: img

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总结 🥇

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，希望大家可以把理论配合上面的实例进行消化，搭好服务端也可以直接使用测试工具好好玩耍一波

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参考文章 📜

❤️ 阮一峰-WebSocket 教程

❤️ Using WebSockets on Heroku with Node.js

❤️ [WebSocket 是什么原理？为什么可以实现持久连接？](

技术教程
#WebSocket #网络协议 #实时通信 #Node.js #JavaScript #前端开发
WebSocket 协议完全指南：从入门到实战
https://miku2024.top/posts/什么是websocket/
作者
KB
发布于
2023年7月24日
许可协议