为什么有HTTP协议,还要有websocket协议

平时我们打开网页,比如购物网站某宝。都是点一下列表商品,跳转一下网页就到了商品详情

从HTTP协议的角度来看,就是点一下网页上的某个按钮,前端发一次HTTP请求,网站返回一次HTTP响应

这种由客户端主动请求,服务器响应的方式也满足大部分网页的功能场景。

但有没有发现,这种情况下,服务器从来就不会主动给客户端发一次消息。

就像你喜欢的女生从来不会主动找你一样。


但如果现在,你在刷网页的时候右下角突然弹出一个小广告,提示你【一个人在家偷偷才能玩哦】。

求知,好学,勤奋,这些刻在你DNA里的东西都动起来了。

你点开后发现。

长相平平无奇的古某提示你”道士9条狗,全服横着走”。

影帝某辉老师跟你说”系兄弟就来砍我”。

来都来了,你就选了个角色进到了游戏界面里。

创建角色页面

这时候,上来就是一个小怪,从远处走来,然后疯狂拿木棒子抽你。

你全程没点任何一次鼠标。服务器就自动将怪物的移动数据和攻击数据源源不断发给你了。

这….太暖心了。

感动之余,问题就来了,

像这种看起来服务器主动发消息给客户端的场景,是怎么做到的?

在真正回答这个问题之前,我们先来聊下一些相关的知识背景。


使用HTTP不断轮询

其实问题的痛点在于,怎么样才能在用户不做任何操作的情况下,网页能收到消息并发生变更。

最常见的解决方案是,网页的前端代码里不断定时发HTTP请求到服务器,服务器收到请求后给客户端响应消息。

这其实时一种服务器推的形式。

它其实并不是服务器主动发消息到客户端,而是客户端自己不断偷偷请求服务器,只是用户无感知而已。

用这种方式的场景也有很多,最常见的就是扫码登录

比如某信公众号平台,登录页面二维码出现之后,前端网页根本不知道用户扫没扫,于是不断去向后端服务器询问,看有没有人扫过这个码。而且是以大概1到2秒的间隔去不断发出请求,这样可以保证用户在扫码后能在1到2s内得到及时的反馈,不至于等太久

使用HTTP定时轮询

但这样,会有两个比较明显的问题

  • 当你打开F12页面时,你会发现满屏的HTTP请求。虽然很小,但这其实也消耗带宽,同时也会增加下游服务器的负担。

  • 最坏情况下,用户在扫码后,需要等个1~2s,正好才触发下一次http请求,然后才跳转页面,用户会感到明显的卡顿

使用起来的体验就是,二维码出现后,手机扫一扫,然后在手机上点个确认,这时候卡顿等个1~2s,页面才跳转。

不断轮询查看是否有扫码

那么问题又来了,有没有更好的解决方案?

有,而且实现起来成本还非常低。


长轮询

我们知道,HTTP请求发出后,一般会给服务器留一定的时间做响应,比如3s,规定时间内没返回,就认为是超时。

如果我们的HTTP请求将超时设置的很大,比如30s,在这30s内只要服务器收到了扫码请求,就立马返回给客户端网页。如果超时,那就立马发起下一次请求。

这样就减少了HTTP请求的个数,并且由于大部分情况下,用户都会在某个30s的区间内做扫码操作,所以响应也是及时的。

长轮询

比如,某度云网盘就是这么干的。所以你会发现一扫码,手机上点个确认,电脑端网页就秒跳转,体验很好。

长轮询的方式来替代

真一举两得。

像这种发起一个请求,在较长时间内等待服务器响应的机制,就是所谓的长训轮机制。我们常用的消息队列RocketMQ中,消费者去取数据时,也用到了这种方式。

RocketMQ的消费者通过长轮询获取数据

像这种,在用户不感知的情况下,服务器将数据推送给浏览器的技术,就是所谓的服务器推送技术,它还有个毫不沾边的英文名,comet技术,大家听过就好。


上面提到的两种解决方案,本质上,其实还是客户端主动去取数据。

对于像扫码登录这样的简单场景还能用用。

但如果是网页游戏呢,游戏一般会有大量的数据需要从服务器主动推送到客户端。

这就得说下websocket了。


websocket是什么

我们知道TCP连接的两端,同一时间里双方都可以主动向对方发送数据。这就是所谓的全双工

而现在使用最广泛的HTTP1.1,也是基于TCP协议的,同一时间里,客户端和服务器只能有一方主动发数据,这就是所谓的半双工

也就是说,好好的全双工TCP,被HTTP用成了半双工。

为什么?

这是由于HTTP协议设计之初,考虑的是看看网页文本的场景,能做到客户端发起请求再由服务器响应,就够了,根本就没考虑网页游戏这种,客户端和服务器之间都要互相主动发大量数据的场景。

所以为了更好的支持这样的场景,我们需要另外一个基于TCP的新协议

于是新的应用层协议websocket就被设计出来了。

大家别被这个名字给带偏了。虽然名字带了个socket,但其实socket和websocket之间,就跟雷峰和雷峰塔一样,二者接近毫无关系

websocket在四层网络协议中的位置


怎么建立websocket连接

我们平时刷网页,一般都是在浏览器上刷的,一会刷刷图文,这时候用的是HTTP协议,一会打开网页游戏,这时候就得切换成我们新介绍的websocket协议

为了兼容这些使用场景。浏览器在TCP三次握手建立连接之后,都统一使用HTTP协议先进行一次通信。

  • 如果此时是普通的HTTP请求,那后续双方就还是老样子继续用普通HTTP协议进行交互,这点没啥疑问。

  • 如果这时候是想建立websocket连接,就会在HTTP请求里带上一些特殊的header头

Connection: Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Key: T2a6wZlAwhgQNqruZ2YUyg==rn

这些header头的意思是,浏览器想升级协议(Connection: Upgrade),并且想升级成websocket协议(Upgrade: websocket)

同时带上一段随机生成的base64码(Sec-WebSocket-Key),发给服务器。

如果服务器正好支持升级成websocket协议。就会走websocket握手流程,同时根据客户端生成的base64码,用某个公开的算法变成另一段字符串,放在HTTP响应的 Sec-WebSocket-Accept 头里,同时带上101状态码,发回给浏览器。

HTTP/1.1 101 Switching Protocolsrn
Sec-WebSocket-Accept: iBJKv/ALIW2DobfoA4dmr3JHBCY=rn
Upgrade: websocketrn
Connection: Upgradern

http状态码=200(正常响应)的情况,大家见得多了。101确实不常见,它其实是指协议切换

base64转为新的字符串

之后,浏览器也用同样的公开算法base64码转成另一段字符串,如果这段字符串跟服务器传回来的字符串一致,那验证通过。

对比客户端和服务端生成的字符串

就这样经历了一来一回两次HTTP握手,websocket就建立完成了,后续双方就可以使用webscoket的数据格式进行通信了。

建立websocket连接.drawio


websocket抓包

我们可以用wireshark抓个包,实际看下数据包的情况。

客户端请求升级为websocket

上面这张图,注意画了红框的第2445行报文,是websocket的第一次握手,意思是发起了一次带有特殊Header的HTTP请求。

服务器同意升级为websocket协议

上面这个图里画了红框的4714行报文,就是服务器在得到第一次握手后,响应的第二次握手,可以看到这也是个HTTP类型的报文,返回的状态码是101。同时可以看到返回的报文header中也带有各种websocket相关的信息,比如Sec-WebSocket-Accept

两次HTTP请求之后正式使用websocket通信

上面这张图就是全貌了,从截图上的注释可以看出,websocket和HTTP一样都是基于TCP的协议。经历了三次TCP握手之后,利用HTTP协议升级为websocket协议。

你在网上可能会看到一种说法:”websocket是基于HTTP的新协议”,其实这并不对,因为websocket只有在建立连接时才用到了HTTP,升级完成之后就跟HTTP没有任何关系了

这就好像你喜欢的女生通过你要到了你大学室友的微信,然后他们自己就聊起来了。你能说这个女生是通过你去跟你室友沟通的吗?不能。你跟HTTP一样,都只是个工具人


这就有点”借壳生蛋“的那意思。

HTTP和websocket的关系


websocket的消息格式

上面提到在完成协议升级之后,两端就会用webscoket的数据格式进行通信。

数据包在websocket中被叫做

我们来看下它的数据格式长什么样子。

websocket报文格式

这里面字段很多,但我们只需要关注下面这几个。

opcode字段:这个是用来标志这是个什么类型的数据帧。比如。

  • 等于1时是指text类型(string)的数据包

  • 等于2是二进制数据类型([]byte)的数据包

  • 等于8是关闭连接的信号

payload字段:存放的是我们真正想要传输的数据的长度,单位是字节。比如你要发送的数据是字符串"111",那它的长度就是3

另外,可以看到,我们存放payload长度的字段有好几个,我们既可以用最前面的7bit, 也可以用后面的7+16bit或7+64bit。

那么问题就来了。

我们知道,在数据层面,大家都是01二进制流。我怎么知道什么情况下应该读7bit,什么情况下应该读7+16bit呢?

websocket会用最开始的7bit做标志位。不管接下来的数据有多大,都先读最先的7个bit,根据它的取值决定还要不要再读个16bit或64bit。

  • 如果最开始的7bit的值是 0~125,那么它就表示了 payload 全部长度,只读最开始的7个bit就完事了。

payload长度在0到125之间
  • 如果是126(0x7E)。那它表示payload的长度范围在 126~65535 之间,接下来还需要再读16bit。这16bit会包含payload的真实长度。

payload长度在126到65535之间
  • 如果是127(0x7F)。那它表示payload的长度范围>=65536,接下来还需要再读64bit。这64bit会包含payload的长度。这能放2的64次方byte的数据,换算一下好多个TB,肯定够用了。

payload长度大于等于65536的情况

payload data字段:这里存放的就是真正要传输的数据,在知道了上面的payload长度后,就可以根据这个值去截取对应的数据。

大家有没有发现一个小细节,websocket的数据格式也是  数据头(内含payload长度) + payload data 的形式。

之前写的《既然有HTTP协议,为什么还要有RPC》提到过,TCP协议本身就是全双工,但直接使用纯裸TCP去传输数据,会有粘包的”问题”。为了解决这个问题,上层协议一般会用消息头+消息体的格式去重新包装要发的数据。

消息头里一般含有消息体的长度,通过这个长度可以去截取真正的消息体。

HTTP协议和大部分RPC协议,以及我们今天介绍的websocket协议,都是这样设计的。

消息边界长度标志


websocket的使用场景

websocket完美继承了TCP协议的全双工能力,并且还贴心的提供了解决粘包的方案。它适用于需要服务器和客户端(浏览器)频繁交互的大部分场景。比如网页/小程序游戏,网页聊天室,以及一些类似飞书这样的网页协同办公软件。

回到文章开头的问题,在使用websocket协议的网页游戏里,怪物移动以及攻击玩家的行为是服务器逻辑产生的,对玩家产生的伤害等数据,都需要由服务器主动发送给客户端,客户端获得数据后展示对应的效果。

websocket的使用场景


总结

  • TCP协议本身是全双工的,但我们最常用的HTTP1.1,虽然是基于TCP的协议,但它是半双工的,对于大部分需要服务器主动推送数据到客户端的场景,都不太友好,因此我们需要使用支持全双工的websocket协议。

  • 在HTTP1.1里。只要客户端不问,服务端就不答。基于这样的特点,对于登录页面这样的简单场景,可以使用定时轮询或者长轮询的方式实现服务器推送(comet)的效果。

  • 对于客户端和服务端之间需要频繁交互的复杂场景,比如网页游戏,都可以考虑使用websocket协议。

  • websocket和socket几乎没有任何关系,只是叫法相似。

  • 正因为各个浏览器都支持HTTP协议,所以websocket会先利用HTTP协议加上一些特殊的header头进行握手升级操作,升级成功后就跟HTTP没有任何关系了,之后就用websocket的数据格式进行收发数据。


最后

最近原创更文的阅读量稳步下跌,思前想后,夜里辗转反侧。

我有个不成熟的请求。


离开广东好长时间了,好久没人叫我靓仔了。

大家可以在评论区里,叫我一靓仔吗?

我这么善良质朴的愿望,能被满足吗?

如果实在叫不出口的话,能帮我点下关注和右下角的点赞+在看吗?


别说了,一起在知识的海洋里呛水吧


本篇文章来源于微信公众号: 小白debug 乌云服务

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