WebSocket
WebSocket是一种网络传输协议,可在单个TCP连接上进行全双工通信,位于OSI模型的应用层。WebSocket协议在2011年由IETF标准化为RFC 6455,后由RFC 7936补充规范。Web IDL中的WebSocket API由W3C标准化。
WebSocket使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单,允许服务端主动向客户端推送数据。在WebSocket API中,浏览器和服务器只需要完成一次握手,两者之间就可以建立持久性的连接,并进行双向数据传输。
简介
WebSocket是一种与HTTP不同的协议。两者都位于OSI模型的应用层,并且都依赖于传输层的TCP协议。
虽然它们不同,但是RFC 6455中规定:it is designed to work over HTTP ports 80 and 443 as well as to support HTTP proxies and intermediaries
(WebSocket通过HTTP端口80和443进行工作,并支持HTTP代理和中介),从而使其与HTTP协议兼容。
为了实现兼容性,WebSocket握手使用HTTP Upgrade头[1]从HTTP协议更改为WebSocket协议。
WebSocket协议支持Web浏览器(或其他客户端应用程序)与Web服务器之间的交互,具有较低的开销,便于实现客户端与服务器的实时数据传输。 服务器可以通过标准化的方式来实现,而无需客户端首先请求内容,并允许消息在保持连接打开的同时来回传递。通过这种方式,可以在客户端和服务器之间进行双向持续对话。 通信通过TCP端口80或443完成,这在防火墙阻止非Web网络连接的环境下是有益的。另外,Comet之类的技术以非标准化的方式实现了类似的双向通信。
大多数浏览器都支持该协议,包括Google Chrome、Firefox、Safari、Microsoft Edge、Internet Explorer和Opera。
与HTTP不同,WebSocket提供全双工通信。[2][3]此外,WebSocket还可以在TCP之上实现消息流。TCP单独处理字节流,没有固有的消息概念。 在WebSocket之前,使用Comet可以实现全双工通信。但是Comet存在TCP握手和HTTP头的开销,因此对于小消息来说效率很低。WebSocket协议旨在解决这些问题。
WebSocket协议规范将ws
(WebSocket)和wss
(WebSocket Secure)定义为两个新的统一资源标识符(URI)方案[4],分别对应明文和加密连接。除了方案名称和片段ID(不支持#
)之外,其余的URI组件都被定义为此URI的通用语法。[5]
使用浏览器开发人员工具,开发人员可以检查WebSocket握手以及WebSocket框架。[6]
历史
WebSocket最初在HTML5规范中被引用为TCPConnection,作为基于TCP的套接字API的占位符。[7]2008年6月,Michael Carter进行了一系列讨论,最终形成了称为WebSocket的协议。[8]
“WebSocket”这个名字是Ian Hickson和Michael Carter之后在 #whatwg IRC聊天室创造的[9],随后由Ian Hickson撰写并列入HTML5规范,并在Michael Carter的Cometdaily博客上宣布[10]。 2009年12月,Google Chrome 4是第一个提供标准支持的浏览器,默认情况下启用了WebSocket。[11]WebSocket协议的开发随后于2010年2月从W3C和WHATWG小组转移到IETF,并在Ian Hickson的指导下进行了两次修订。[12]
背景
早期,很多网站为了实现推送技术,所用的技术都是轮询。轮询是指由浏览器每隔一段时间(如每秒)向服务器发出HTTP请求,然后服务器返回最新的数据给客户端。这种传统的模式带来很明显的缺点,即浏览器需要不断的向服务器发出请求,然而HTTP请求与回复可能会包含较长的头部,其中真正有效的数据可能只是很小的一部分,所以这样会消耗很多带宽资源。
比较新的轮询技术是Comet。这种技术虽然可以实现双向通信,但仍然需要反复发出请求。而且在Comet中普遍采用的HTTP长连接也会消耗服务器资源。
在这种情况下,HTML5定义了WebSocket协议,能更好的节省服务器资源和带宽,并且能够更实时地进行通讯。
Websocket使用ws
或wss
的统一资源标志符(URI)。其中wss
表示使用了TLS的Websocket。如:
ws://example.com/wsapi wss://secure.example.com/wsapi
Websocket与HTTP和HTTPS使用相同的TCP端口,可以绕过大多数防火墙的限制。默认情况下,Websocket协议使用80端口;运行在TLS之上时,默认使用443端口。
优点
- 较少的控制开销。在连接建立后,服务器和客户端之间交换数据时,用于协议控制的数据包头部相对较小。在不包含扩展的情况下,对于服务器到客户端的内容,此头部大小只有2至10字节(和数据包长度有关);对于客户端到服务器的内容,此头部还需要加上额外的4字节的掩码。相对于HTTP请求每次都要携带完整的头部,此项开销显著减少了。
- 更强的实时性。由于协议是全双工的,所以服务器可以随时主动给客户端下发数据。相对于HTTP请求需要等待客户端发起请求服务端才能响应,延迟明显更少;即使是和Comet等类似的长轮询比较,其也能在短时间内更多次地传递数据。
- 保持连接状态。与HTTP不同的是,Websocket需要先建立连接,这就使得其成为一种有状态的协议,之后通信时可以省略部分状态信息。而HTTP请求可能需要在每个请求都携带状态信息(如身份认证等)。
- 更好的二进制支持。Websocket定义了二进制帧,相对HTTP,可以更轻松地处理二进制内容。
- 可以支持扩展。Websocket定义了扩展,用户可以扩展协议、实现部分自定义的子协议。如部分浏览器支持压缩等。
握手协议
WebSocket 是独立的、建立在TCP上的协议。
Websocket 通过 HTTP/1.1 协议的101状态码进行握手。
为了建立Websocket连接,需要通过浏览器发出请求,之后服务器进行回应,这个过程通常称为“握手”(Handshaking)。
例子
一个典型的Websocket握手请求如下[15]:
客户端请求:
GET /chat HTTP/1.1 Host: server.example.com Upgrade: websocket Connection: Upgrade Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ== Origin: http://example.com Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat Sec-WebSocket-Version: 13
服务器回应:
HTTP/1.1 101 Switching Protocols Upgrade: websocket Connection: Upgrade Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo= Sec-WebSocket-Protocol: chat
字段说明
- Connection必须设置Upgrade,表示客户端希望连接升级。
- Upgrade字段必须设置Websocket,表示希望升级到Websocket协议。
- Sec-WebSocket-Key是随机的字符串,服务器端会用这些数据来构造出一个SHA-1的信息摘要。把“Sec-WebSocket-Key”加上一个特殊字符串“258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”,然后计算SHA-1摘要,之后进行Base64编码,将结果做为“Sec-WebSocket-Accept”头的值,返回给客户端。如此操作,可以尽量避免普通HTTP请求被误认为Websocket协议。
- Sec-WebSocket-Version 表示支持的Websocket版本。RFC6455要求使用的版本是13,之前草案的版本均应当弃用。
- Origin字段是可选的,通常用来表示在浏览器中发起此Websocket连接所在的页面,类似于Referer。但是,与Referer不同的是,Origin只包含了协议和主机名称。
- 其他一些定义在HTTP协议中的字段,如Cookie等,也可以在Websocket中使用。
浏览器支持
WebSocket协议的安全版本在Firefox 6[16]、Safari 6、Google Chrome 14[17]、Opera 12.10和Internet Explorer 10中实现。[18]详细的协议测试套件报告[19]列出了这些浏览器与特定协议方面的一致性。
Opera 11和Safari 5中实现了较旧的,不太安全的协议版本,以及iOS 4.2中的Safari移动版本。[20]OS7中的BlackBerry Browser实现了WebSockets。[21]由于存在漏洞,它在Firefox 4和5[22]以及Opera 11中被禁用。[23]
所有最新的浏览器支持最新规范(RFC 6455)的WebSocket协议。一个详细的测试报告[19]列出了这些浏览器支持的Websocket版本。
协议 | 发布日期 | IE | Firefox[24](个人电脑) | Firefox (Android) | Chrome(个人电脑,手机) | Safari(Mac, iOS) | Opera(个人电脑,手机) | Android浏览器 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
hixie-75 | 2010年2月4日 | 4 | 5.0.0 | |||||
hixie-76 Archived 2012-04-19 at WebCite hybi-00 |
2010年5月10日, 2010年5月23日 |
4.0(已禁用) | 6 | 5.0.1 | 11.00(已禁用) | |||
7 hybi-07 Archived 2012-04-19 at WebCite | 2011年4月22日 | 6[25]1 | ||||||
8 hybi-10 | 2011年7月11日 | 7[26]1 | 7 | 14[27] | ||||
13 RFC 6455 | 2011年12月 | 10[28] | 11 | 11 | 16[29] | 6 | 12.10[30] | 4.4[31] |
1基于Gecko 6–10版本的浏览器的WebSocket对象为“mozwebsocket”,[32]需要添加额外的代码。
服务器
在服务器方面,网上都有不同对websocket支持的服务器:
- PHP - https://code.google.com/p/phpwebsocket/
- jetty(版本7开始支持websocket)
- netty
- Ruby - https://github.com/gimite/web-socket-ruby
- Kaazing
- Tomcat(7.0.27支持websocket,建议用tomcat8,7.0.27中的接口已经过时)
- WebLogic(12.1.2開始支持)
- Node.js - https://github.com/Worlize/WebSocket-Node
- Node.js - http://socket.io 页面存档备份,存于
- Nginx
- mojolicious
- Python - https://github.com/abourget/gevent-socketio
- Django
- erlang - https://github.com/ninenines/cowboy
参考资料
- Ian Fette; Alexey Melnikov. RFC 6455 The WebSocket Protocol. IETF. December 2011: sec. 1.7. RFC 6455.
- . Mozilla Developer Network. 2015 [2019-05-09]. (原始内容存档于2016-09-14).
- HTML5 WebSocket: A Quantum Leap in Scalability for the Web
- Graham Klyne (编). . Internet Assigned Numbers Authority. 2011-11-14 [2011-12-10]. (原始内容存档于2013-04-25).
- Ian Fette; Alexey Melnikov. RFC 6455 The WebSocket Protocol. IETF. December 2011: sec. 3. RFC 6455.
- Wang, Vanessa; Salim, Frank; Moskovits, Peter. . . Apress. February 2013 [7 April 2013]. ISBN 978-1-4302-4740-1. (原始内容存档于2015-12-31).
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- . Chromium Blog. [2016-04-17] (美国英语).
- <ian@hixie.ch>, Ian Hickson. . tools.ietf.org. [2016-04-17]. (原始内容存档于2017-03-17).
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- https://tools.ietf.org/html/rfc7692
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- Dirkjan Ochtman. . Mozilla.org. May 27, 2011 [2011-06-30]. (原始内容存档于2012-05-26).
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