面试题：网络编程之WebSocket协议基础

Question

请简述WebSocket协议与HTTP协议的主要区别，并说明WebSocket协议在建立连接过程中的关键步骤。

Answer 1

主要区别

1. 连接性质
   • HTTP：是无状态的短连接协议，每次请求 - 响应完成后，连接就会关闭。客户端发起请求，服务器返回响应，然后连接断开。例如浏览器请求一个网页，服务器返回网页内容后，连接就结束了。
   • WebSocket：是有状态的长连接协议，一旦建立连接，客户端和服务器之间可以持续进行双向通信。比如实时聊天应用，连接建立后双方可以不断发送消息。
2. 通信方式
   • HTTP：是单向请求 - 响应模式，只能由客户端发起请求，服务器响应。客户端不主动请求，服务器无法主动向客户端推送数据。
   • WebSocket：支持双向通信，客户端和服务器都可以主动向对方发送数据。例如在股票行情实时推送场景中，服务器可以主动将最新行情数据推送给客户端。
3. 头部开销
   • HTTP：每次请求都需要携带大量的头部信息，即使是简单请求，头部也可能包含诸如Cookie、User - Agent等信息，增加了数据传输量。
   • WebSocket：在建立连接时会有一定的头部开销用于握手，但连接建立后，数据传输时头部开销相对较小，提高了数据传输效率。
4. 协议层次
   • HTTP：应用层协议，基于TCP协议之上。
   • WebSocket：也是应用层协议，但它在传输层同样基于TCP协议，不过它定义了一套不同于HTTP的握手和数据传输规范。

WebSocket协议建立连接关键步骤

1. 客户端发起HTTP升级请求
   • 客户端向服务器发送一个HTTP请求，在请求头中包含特殊的字段来表明想要将连接升级为WebSocket连接。例如：

   GET /chat HTTP/1.1
   Host: server.example.com
   Upgrade: websocket
   Connection: Upgrade
   Sec - WebSocket - Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
   Sec - WebSocket - Version: 13
   

   • 其中Upgrade: websocket和Connection: Upgrade表明要将连接升级为WebSocket连接；Sec - WebSocket - Key是一个随机生成的Base64编码字符串，用于验证服务器是否支持WebSocket协议；Sec - WebSocket - Version指定WebSocket协议版本。
2. 服务器响应
   • 服务器收到请求后，如果支持WebSocket协议，会返回一个HTTP响应，例如：

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

   • HTTP/1.1 101 Switching Protocols状态码表示协议切换成功；Upgrade和Connection字段同样表明协议升级；Sec - WebSocket - Accept字段的值是通过将客户端发送的Sec - WebSocket - Key加上一个固定字符串258EAFA5 - E914 - 47DA - 95CA - C5AB0DC85B11，然后进行SHA - 1哈希运算并Base64编码得到的，用于证明服务器支持WebSocket协议并且可以正确处理客户端请求。
3. 连接建立
   • 客户端收到服务器的响应后，如果验证Sec - WebSocket - Accept等字段正确，那么WebSocket连接就成功建立。此时客户端和服务器可以通过这个TCP连接进行双向数据传输，不再使用HTTP协议的请求 - 响应模式，而是按照WebSocket协议的数据帧格式进行数据的发送和接收。