今天，我们来探一探WebSocket原理

级别：★★☆☆☆
标签：「WebSocket」「Starscream」
作者： 647
审校：沐灵洛

前言：
前段时间，在公司的项目中用到了WebSocket，当时没有时间好好整理。
最近，趁着有时间，就好好梳理了一下WebSocket的相关知识。

本篇将介绍以下内容：
1、什么是WebSocket？
2、WebSocket使用场景
3、WebSocket底层原理（协议）
4、iOS中WebSocket的相关框架

一、什么是 WebSocket ？

WebSocket = “HTTP第1次握手” + TCP的“全双工“通信的网络协议。

主要过程：

首先，通过HTTP第一次握手保证连接成功。
其次，再通过TCP实现浏览器与服务器全双工(full-duplex)通信。（通过不断发ping包、pang包保持心跳）

最终，使得 “服务端” 拥有 “主动” 发消息给 “客户端” 的能力。

这里有几个重点：

WebSocket是基于TCP的上部应用层网络协议。
它依赖于HTTP的第一次握手成功 + 之后的TCP双向通信。

二、WebSocket 应用场景

1. IM（即时通讯）

典型例子：微信、QQ等当然，用户量如果非常大的话，仅仅依靠WebSocket肯定是不够的，各大厂应该也有自己的一些优化的方案与措施。但对于用户量不是很大的即时通讯需求，使用WebSocket是一种不错的方案。

2. 游戏（多人对战）

典型例子：王者荣耀等（应该都玩过）

3. 协同编辑（共享文档）

多人同时编辑同一份文档时，可以实时看到对方的操作。这时，就用上了WebSocket。

4. 直播/视频聊天

对音频/视频需要较高的实时性。

5. 股票/基金等金融交易平台

对于股票/基金的交易来说，每一秒的价格可能都会发生变化。

6. IoT（物联网 / 智能家居）

例如，我们的App需要实时的获取智能设备的数据与状态。这时，就需要用到WebSocket。

...... 等等等等

只要是一些对 “实时性” 要求比较高的需求，可能就会用到WebSocket。

三、WebSocket 底层原理

WebSocket是一个网络上的应用层协议，它依赖于HTTP协议的第一次握手，握手成功后，数据就通过TCP/IP协议传输了。

WebSocket分为握手阶段和数据传输阶段，即进行了HTTP一次握手 + 双工的TCP连接。

1、握手阶段

首先，客户端发送消息：

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.qishare.org
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Origin: http://qishare.org
Sec-WebSocket-Version: 13

然后，服务端返回消息：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

这里值得注意的是Sec-WebSocket-Accept的计算方法： base64(hsa1(sec-websocket-key + 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11))

如果这个Sec-WebSocket-Accept计算错误，浏览器会提示：Sec-WebSocket-Accept dismatch；
如果返回成功，Websocket就会回调onopen事件

2、传输阶段

WebSocket是以 frame 的形式传输数据的。比如会将一条消息分为几个frame，按照先后顺序传输出去。

这样做会有几个好处：

较大的数据可以分片传输，不用考虑到数据大小导致的长度标志位不足够的情况。
和HTTP的chunk一样，可以边生成数据边传递消息，即提高传输效率。

WebSocket传输过程使用的报文，如下所示：

具体的参数说明如下：

FIN（1 bit）： 表示信息的最后一帧，flag，也就是标记符。 PS：当然第一个消息片断也可能是最后的一个消息片断；
RSV1、RSV2、RSV3（均为1 bit）： 默认均为0。如果有约定自定义协议则不为0，一般均为0。（协议扩展用）
Opcode（4 bit）： 定义有效负载数据，如果收到了一个未知的操作码，连接也必须断掉，以下是定义的操作码：

操作码	含义
%x0	连续消息片断
%x1	文本消息片断
%x2	二进制消息片断
%x3-7	（预留位）为将来的非控制消息片断保留的操作码。
%x8	连接关闭
%x9	心跳检查ping
%xA	心跳检查pong
%xB-F	（预留位）为将来的控制消息片断的保留操作码。

Mask（1 bit）： 是否传输数据添加掩码。若为1，掩码必须放在masking-key区域。（后面会提到..）注：客户端给服务端发消息Mask值均为1。
Payload length： Payload字段用来存储传输数据的长度。

本身Payload报文字段的大小可能有三种情况：7 bit、7+16 bit、7+64 bit。

第一种：7 bit，表示从0000000 ~ 1111101（即0~125），表示当前数据的length大小（较小数据，最大长度为125）。

第二种：(7+16) bit：前7位为1111110（即126），126代表后面会跟着2个字节无符号数，用来存储数据length大小（长度最小126，最大为65 535）。

第三种：(7+64) bit：前7位为1111111（即127），127代表后面会跟着8个字节无符号数，用来存储数据length大小（长度最小为65536，最大为2^16-1）。

Payload报文长度	所传输的数据大小区间
7 bit	[ 0, 125]
7 +16 bit	[ 126 , 65535]
7 + 64 bit	[ 65536, 2^16 -1]

说明：
传输数据的长度，以字节的形式表示：7位、7+16位、或者7+64位。
1）如果这个值以字节表示是0-125这个范围，那这个值就表示传输数据的长度；
2）如果这个值是126，则随后的2个字节表示的是一个16进制无符号数，用来表示传输数据的长度；
3）如果这个值是127，则随后的是8个字节表示的一个64位无符号数，这个数用来表示传输数据的长度。

Masking-key（0 bit / 4 bit）：
0 bit：说明mask值不为1，无掩码。
4 bit：说明mask值为1，添加掩码。

PS：客户端发送给服务端数据时，mask均为1。同时，Masking-key会存储一个32位的掩码。

Payload data（x+y byte）： 负载数据为扩展数据及应用数据长度之和。
Extension data（x byte）： 如果客户端与服务端之间没有特殊约定，那么扩展数据的长度始终为0，任何的扩展都必须指定扩展数据的长度，或者长度的计算方式，以及在握手时如何确定正确的握手方式。如果存在扩展数据，则扩展数据就会包括在负载数据的长度之内。
Application data（y byte）： 任意的应用数据，放在扩展数据之后。 应用数据的长度 = 负载数据的长度 - 扩展数据的长度 即：Application data = Payload data - Extension data

四、iOS 中 WebSocket 相关框架

WebSocket（iOS客户端）：

Starscream（swift）： Websockets in swift for iOS and OSX.（star 5k+）
SocketRocket（objective-c）： A conforming Objective-C WebSocket client library.（star：8k+）
SwiftWebSocket（swift）： Fast Websockets in Swift for iOS and OSX.（star：1k+）

Socket（iOS客户端）：

CocoaAsyncSocket： Asynchronous socket networking library for Mac and iOS.（star：11k+）
socket.io-client-swift： Socket.IO-client for iOS/OS X.（star：4k+）

下一篇，我们将用Starscream写一个简单的客户端WebSocket Demo。

相关参考链接：
《微信,QQ这类IM app怎么做——谈谈Websocket》（冰霜大佬）
《WebSocket的实现原理》 `

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