系统设计基础知识（十一）WebSocket协议

　　Websocket使浏览器具有实时的双向通信能力。它可以打开用户浏览器和服务器之间的交互式通信会话。它提供了一种通过持久连接在客户端和服务器之间交换数据的方法。
　　系统设计基础知识系列第十一章WebSocket协议。你可以阅读我以前的文章
　　系统设计基础知识（一）网络
　　系统设计基础知识（二）数据库
　　系统设计的基础知识（三）吞吐量和延迟
　　系统设计基础知识（四）系统可用性
　　系统设计基础知识（五）缓存
　　系统设计基础知识（六）缓存区
　　系统设计基础知识（七）代理
　　系统设计基础知识（八）了解IP地址和端口
　　系统设计基础知识（九）负载均衡器
　　系统设计基础知识（十）DNS
　　首先我们要明白，WebSocket本质上是一个计算机网络应用层的协议，用来弥补HTTP协议持久通信能力的不足。
　　HTTP协议是一种无状态协议。每个新的HTTP请求只能由客户端发起。每个HTTP请求都已完全结束。虽然HTTP1。1增加了keepalive请求头，可以通过一个channel进行多次请求，但本质还是一样的。
　　建立连接传输数据传输后断开
　　WebSocket是TCP传输协议，复用HTTP握手通道。可实现全双工和长连接通信。可以在单个TCP连接上进行全双工通信，可以更好地节省服务器资源和带宽，实现实时通信。客户端和服务器只需完成一次握手，两者之间就可以建立持久连接。
　　WebSocket是一种基于TCPIP协议、独立于HTTP协议的通信协议。
　　HTTP协议本身并没有持久的通信能力，但是我们在实际应用中需要这种能力。WebSocket解决了HTTP的这些问题。当服务端完成从HTTP到WebSocket的协议升级后，服务端可以主动向客户端推送信息。2011年被互联网工程任务组（IETF）指定为标准RFC6455，并更新为RFC7936。于是，在HTML5标准中加入了WebSocket协议的相关API，只要实现了HTML5标准的客户端，就可以与支持WebSocket协议的服务器进行全双工持久通信。由于WebSocket只需要一次HTTP握手，服务器可以一直与客户端通信，直到连接关闭，解决了服务器重复解析HTTP协议的需要，减少了资源开销。
　　WebSocket的特点2路通讯有状态的可以在浏览器中使用
　　WebSocket协议原理
　　WebSocket协议需要建立TCP连接来传输数据。具体实现是通过HTTP协议建立通道，然后使用WebSocket协议进行通信，所以WebSocket协议和HTTP协议有一定的交叉关系。
　　WebSocket协议端口80
　　WebSocketSSL协议端口443
　　HandshakeWebSocket也有一个握手过程，然后就可以正式发送和接收数据了。客户端发送的数据格式如下：客户端请求消息
　　客户端发起WebSocket协议请求。GETchatHTTP1。1Upgrade：websocketConnection：UpgradeHost：server。example。comOrigin：http：example。comSecWebSocketKey：dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQSecWebSocketProtocol：chat，superchatSecWebSocketVersion：13
　　与传统HTTP消息的区别：Upgrade：websocketConnection：Upgrade
　　这两行表示WebSocket协议已启动。SecWebSocketKey：dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQSecWebSocketVersion：13
　　SecWebSocketKey它由浏览器随机生成，并针对恶意或无意的连接提供基本保护（Base64编码值）。
　　SecWebSocketVersion表示WebSocket的版本。最初WebSocket协议太多，不同厂商有自己的协议版本，现在已经确定了。如果服务器不支持该版本，则需要返回一个SecWebSocketVersionheader，其中包含服务器支持的版本号。
　　创建一个WebSocket对象：varwsnewwebsocket（ws：127。0。0。1：8001）；
　　ws表示使用WebSocket协议，后面是地址和端口
　　2。服务器响应消息HTTP1。1101SwitchingProtocolsUpgrade：websocketConnection：UpgradeSecWebSocketAccept：s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbKxOoSecWebSocketProtocol：chat101状态码表示服务器已经理解了客户端的请求，会通过Upgrade消息头通知客户端使用不同的协议来完成请求101SwitchingProtocols显示HTTP请求完成后响应的状态码，表示协议已经切换，表示WebSocket协议通过HTTP协议建立传输层的TCP连接，然后与HTTP协议无关。SecWebSocketAccept由服务器确认并加密SecWebSocketKeySecWebSocketProtocol代表最终使用的协议SecWebSocketAccept
　　计算方法：将SecWebSocketKey请求头中的值添加到专用UUID。摘要由SHA1计算并转换为base64字符串。SecWebSocketKey的转换SecWebSocketAccept只能带来基本的保证，但是连接是否安全，数据是否安全，客户端服务器是否合法，ws客户端，ws服务器，都没有实际的保证。
　　WebSocket数据帧
　　WebSocket以帧为单位传输数据。帧是客户端和服务器之间数据传输的最小单位。当数据过大时，可以将消息拆分成多帧发送。解码是恢复完整的消息
　　帧头中的操作码字段FIN，长度为1位，该标志用于指示当前帧是消息的最后一段。FIN字段全部为0，最后一帧的FIN字段为1。如果消息没有被分段，那么一帧包含完整的消息，它的FIN字段值为1。RSV13这3个字段是保留字段，仅在WebSocket扩展中使用。如果接收方接收到RSV13不全为0的帧，则这3个字段应设置为1。2方尚未协商使用WebSocket协议扩展，接收方应立即终止WebSocket连接Opcode，长度为4位，该字段将指示帧的类型0x0延续帧0x1文本框0x2二进制帧0x37，目前保留，以后会作为更多的非控制帧使用0x8连接关闭0x9当前ping帧0xA当前的乒乓帧0xBF目前保留，未来将用作更多控制帧Mask，长度为1位，该字段为标志位，用于指示该帧的数据（有效载荷）是否被屏蔽。PayloadLen帧有效载荷的长度（以字节为单位），该字段的长度是可变的，可能是7位，可能是716位，也可能是764位。Maskingkey当Mask标志为1时，表示这是一个被掩码覆盖的帧。此时存在Maskingkey字段，长度为32位。发送到服务器的帧必须用掩码覆盖。该字段的值由客户端使用具有足够大熵值的随机数生成器生成。Payload这个字段的长度是任意的，这个字段是帧的数据部分。
　　WebSocket控制类框架
　　主要用于传递一些连接控制信息关闭框架用于关闭WebSocket连接PingFrame检测帧，主要用于实现WebSocket层的KeepAlive，或者检测对方是否还处于活跃状态PongFrame是PingFrame的响应，一方面，接收方在收到Ping帧后应立即发回PongFrame，并且Payload的内容必须与Ping帧相同。状态码
　　连接成功状态码
　　101HTTP协议切换到WebSocket协议
　　连接关闭状态码
　　1000：正常断开
　　1001：服务器断开连接
　　1002：WebSocket协议错误
　　103：客户端接受不支持的数据格式
　　1006：异常关机
　　1007：客户端接受了无效的数据格式（短信编码不是utf8）
　　1009：传输数据量太大
　　1010：客户端终止连接
　　1011：服务器终止连接
　　1012：服务器正在重新启动
　　1013：服务器暂时终止
　　1014：通过网关或代理向服务器请求，服务器无法及时响应
　　1015：TLS握手失败
　　WebSocket断线的原因网络状态不好数据被各种类型（路由器、防火墙、代理服务器）阻止网络服务器故障
　　WebSocket断开连接的解决方案HeartbeatReconnection它是通过pingpong（常规帧控制帧）的服务器端实现来实现的。服务器向客户端发送ping0x9消息，客户端自动返回pong0xA消息。客户端定期向服务器发送消息。这里的消息是指WebSocket协议的数据帧，不需要通过代码实现。不同客户端发送消息的时间间隔不同。
　　优势更少的控制开销数据包头协议更小，不像HTTP为每个请求携带一个完整的头更强的实时性相比HTTP请求需要等待客户端发起请求，服务端可以响应，延迟明显更小保持连接状态通信创建后，可以省略状态信息。更好的二进制支持定义了二进制帧，更好地处理二进制内容支持扩展用户可以扩展WebSocket协议，实现一些自定义的子协议更好的压缩WebSocket可以继续使用之前内容的上下文，可以显着提高压缩比
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