WebSocket

WebSocket是一種網路傳輸協議，可在單個TCP連接上進行全雙工通信，位於OSI模型的應用層。WebSocket協議在2011年由IETF標準化為RFC 6455，後由RFC 7936補充規範。Web IDL中的WebSocket API由W3C標準化。

WebSocket使得客戶端和伺服器之間的數據交換變得更加簡單，允許服務端主動向客戶端推送數據。在WebSocket API中，瀏覽器和伺服器只需要完成一次握手，兩者之間就可以建立持久性的連接，並進行雙向數據傳輸。

## 簡介

WebSocket是一種與HTTP不同的協議。兩者都位於OSI模型的應用層，並且都依賴於傳輸層的TCP協議。

雖然它們不同，但是RFC 6455中規定：`it is designed to work over HTTP ports 80 and 443 as well as to support HTTP proxies and intermediaries`（WebSocket通過HTTP埠80和443進行工作，並支持HTTP代理和中介），從而使其與HTTP協議兼容。

為了實現兼容性，WebSocket握手使用HTTP Upgrade頭從HTTP協議更改為WebSocket協議。

WebSocket協議支持Web瀏覽器（或其他客戶端應用程式）與Web伺服器之間的交互，具有較低的開銷，便於實現客戶端與伺服器的實時數據傳輸。

伺服器可以通過標準化的方式來實現，而無需客戶端首先請求內容，並允許消息在保持連接打開的同時來回傳遞。通過這種方式，可以在客戶端和伺服器之間進行雙向持續對話。

通信通過TCP埠80或443完成，這在防火牆阻止非Web網路連接的環境下是有益的。另外，Comet之類的技術以非標準化的方式實現了類似的雙向通信。

大多數瀏覽器都支持該協議，包括Google Chrome、Firefox、Safari、Microsoft Edge、Internet Explorer和Opera。

與HTTP不同，WebSocket提供全雙工通信。此外，WebSocket還可以在TCP之上實現消息流。TCP單獨處理字節流，沒有固有的消息概念。

在WebSocket之前，使用Comet可以實現全雙工通信。但是Comet存在TCP握手和HTTP頭的開銷，因此對於小消息來說效率很低。WebSocket協議旨在解決這些問題。

WebSocket協議規範將`ws`（WebSocket）和`wss`（WebSocket Secure）定義為兩個新的統一資源標識符（URI）方案，分別對應明文和加密連接。除了方案名稱和片段ID（不支持`#`）之外，其餘的URI組件都被定義為此URI的通用語法。

使用瀏覽器開發人員工具，開發人員可以檢查WebSocket握手以及WebSocket框架。

## 歷史

WebSocket最初在HTML5規範中被引用為TCPConnection，作為基於TCP的套接字API的占位符。2008年6月，Michael Carter進行了一系列討論，最終形成了稱為WebSocket的協議。

「WebSocket」這個名字是Ian Hickson和Michael Carter之後在 #whatwg IRC聊天室創造的，隨後由Ian Hickson撰寫並列入HTML5規範，並在Michael Carter的Cometdaily部落格上宣布。

2009年12月，Google Chrome 4是第一個提供標準支持的瀏覽器，默認情況下啟用了WebSocket。WebSocket協議的開發隨後於2010年2月從W3C和WHATWG小組轉移到IETF，並在Ian Hickson的指導下進行了兩次修訂。

該協議被多個瀏覽器默認支持並啟用後，RFC於2011年12月在Ian Fette下完成。

## 背景

早期，很多網站為了實現推送技術，所用的技術都是輪詢。輪詢是指由瀏覽器每隔一段時間（如每秒）向伺服器發出HTTP請求，然後伺服器返回最新的數據給客戶端。這種傳統的模式帶來很明顯的缺點，即瀏覽器需要不斷的向伺服器發出請求，然而HTTP請求與回復可能會包含較長的頭部，其中真正有效的數據可能只是很小的一部分，所以這樣會消耗很多帶寬資源。

比較新的輪詢技術是Comet。這種技術雖然可以實現雙向通信，但仍然需要反覆發出請求。而且在Comet中普遍採用的HTTP長連接也會消耗伺服器資源。

在這種情況下，HTML5定義了WebSocket協議，能更好的節省伺服器資源和帶寬，並且能夠更實時地進行通訊。

Websocket使用`ws`或`wss`的統一資源標誌符（URI）。其中`wss`表示使用了TLS的Websocket。如：

```
ws://example.com/wsapi
wss://secure.example.com/wsapi
```

Websocket與HTTP和HTTPS使用相同的TCP埠，可以繞過大多數防火牆的限制。默認情況下，Websocket協議使用80埠；運行在TLS之上時，默認使用443埠。

## 優點

- 較少的控制開銷。在連接建立後，伺服器和客戶端之間交換數據時，用於協議控制的數據包頭部相對較小。在不包含擴展的情況下，對於伺服器到客戶端的內容，此頭部大小只有2至10位元組（和數據包長度有關）；對於客戶端到伺服器的內容，此頭部還需要加上額外的4位元組的掩碼。相對於HTTP請求每次都要攜帶完整的頭部，此項開銷顯著減少了。
- 更強的實時性。由於協議是全雙工的，所以伺服器可以隨時主動給客戶端下發數據。相對於HTTP請求需要等待客戶端發起請求服務端才能響應，延遲明顯更少；即使是和Comet等類似的長輪詢比較，其也能在短時間內更多次地傳遞數據。
- 保持連接狀態。與HTTP不同的是，Websocket需要先建立連接，這就使得其成為一種有狀態的協議，之後通信時可以省略部分狀態資訊。而HTTP請求可能需要在每個請求都攜帶狀態資訊（如身份認證等）。
- 更好的二進位支持。Websocket定義了二進位幀，相對HTTP，可以更輕鬆地處理二進位內容。
- 可以支持擴展。Websocket定義了擴展，使用者可以擴展協議、實現部分自定義的子協議。如部分瀏覽器支持壓縮等。
- 更好的壓縮效果。相對於HTTP壓縮，Websocket在適當的擴展支持下，可以沿用之前內容的上下文，在傳遞類似的數據時，可以顯著地提高壓縮率。

## 握手協議

WebSocket 是獨立的、建立在TCP上的協議。

Websocket 通過 HTTP/1.1 協議的101狀態碼進行握手。

為了建立Websocket連接，需要通過瀏覽器發出請求，之後伺服器進行回應，這個過程通常稱為「握手」（Handshaking）。

### 例子

一個典型的Websocket握手請求如下：

客戶端請求：

```
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
```

伺服器回應：

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

### 欄位說明

- Connection必須設置Upgrade，表示客戶端希望連接升級。
- Upgrade欄位必須設置Websocket，表示希望升級到Websocket協議。
- Sec-WebSocket-Key是隨機的字串，伺服器端會用這些數據來構造出一個SHA-1的資訊摘要。把「Sec-WebSocket-Key」加上一個特殊字串「258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11」，然後計算SHA-1摘要，之後進行Base64編碼，將結果做為「Sec-WebSocket-Accept」頭的值，返回給客戶端。如此操作，可以儘量避免普通HTTP請求被誤認為Websocket協議。
- Sec-WebSocket-Version 表示支持的Websocket版本。RFC6455要求使用的版本是13，之前草案的版本均應當棄用。
- Origin欄位是必須的。如果缺少origin欄位，WebSocket伺服器需要回復HTTP 403 狀態碼（禁止訪問）。
- 其他一些定義在HTTP協議中的欄位，如Cookie等，也可以在Websocket中使用。

## 瀏覽器支持

WebSocket協議的安全版本在Firefox 6、Safari 6、Google Chrome 14、Opera 12.10和Internet Explorer 10中實現。詳細的協議測試套件報告列出了這些瀏覽器與特定協議方面的一致性。

Opera 11和Safari 5中實現了較舊的，不太安全的協議版本，以及iOS 4.2中的Safari移動版本。OS7中的BlackBerry Browser實現了WebSockets。由於存在漏洞，它在Firefox 4和5以及Opera 11中被禁用。

所有最新的瀏覽器支持最新規範（RFC 6455）的WebSocket協議。一個詳細的測試報告列出了這些瀏覽器支持的Websocket版本。

協議｜發布日期｜IE｜Firefox（個人電腦）｜Firefox (Android)｜Chrome（個人電腦，手機）｜Safari（Mac, iOS）｜Opera（個人電腦，手機）｜Android瀏覽器

hixie-75｜2010年2月4日｜4｜5.0.0

hixie-76 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｜2011年4月22日｜61

8 hybi-10｜2011年7月11日｜71｜7｜14

13 RFC 6455｜2011年12月｜10｜11｜11｜16｜6｜12.10｜4.4

1基於Gecko 6–10版本的瀏覽器的WebSocket對象為「mozwebsocket」，需要添加額外的代碼。

## 伺服器

在伺服器方面，網上都有不同對websocket支持的伺服器：

- PHP - https://code.google.com/p/phpwebsocket/
- jetty （版本7開始支持websocket）
- netty
- Ruby - https://github.com/gimite/web-socket-ruby
- Kaazing
- Tomcat（7.0.27支持websocket，建議用tomcat8，7.0.27中的接口已經過時）
- WebLogic （12.1.2開始支持）
- Node.js - https://github.com/Worlize/WebSocket-Node
- Node.js - http://socket.io
- Nginx
- mojolicious
- Python - https://github.com/abourget/gevent-socketio
- Django
- erlang - https://github.com/ninenines/cowboy