面试题：网络编程之WebSocket在股票行情应用中的原理

Question

请阐述WebSocket协议在股票行情实时数据推送场景下，相较于传统HTTP轮询方式的优势，并简要说明WebSocket实现实时数据推送的基本原理。

Answer 1

优势

1. 高效性：
   • HTTP轮询需要客户端不断发起HTTP请求获取最新数据，每次请求都要携带完整的HTTP头信息，增加了网络开销。而WebSocket建立的是持久连接，只在连接建立时进行一次握手，后续数据传输只需传输少量的控制帧和数据帧，大大减少了网络流量。
   • 例如，在股票行情数据频繁变动的场景下，HTTP轮询可能每分钟发起多次请求，每次请求可能有几百字节的HTTP头信息，而WebSocket只需保持连接，数据传输时只携带行情数据，数据量小很多。
2. 实时性：
   • HTTP轮询存在轮询间隔，在间隔时间内即使服务器有新的股票行情数据，客户端也无法及时获取，导致数据有延迟。WebSocket则可以在服务器端数据更新时立即主动推送数据给客户端，几乎没有延迟，能让用户实时获取最新行情。比如股票价格瞬间大幅波动，WebSocket可以立刻将新价格推送给客户端，而HTTP轮询可能要等到下一次轮询时才能获取到。
3. 服务器压力：
   • HTTP轮询由于客户端频繁发起请求，服务器需要不断处理这些请求，增加了服务器的负担。WebSocket的持久连接减少了服务器处理连接建立和关闭的开销，且服务器可以按需推送数据，从而降低服务器压力。对于处理大量股票行情数据推送的服务器来说，这能显著提升服务器性能和稳定性。

基本原理

1. 握手阶段：
   • 客户端首先向服务器发起一个HTTP请求，请求头中包含特殊字段 Upgrade: websocket，表明要将HTTP协议升级为WebSocket协议。例如：

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

• 服务器接收到请求后，如果支持WebSocket协议，会返回一个HTTP 101 Switching Protocols响应，进行协议升级，返回头中包含 Upgrade: websocket 和 Connection: Upgrade 等字段，并计算 Sec - WebSocket - Accept 字段值返回给客户端。例如：

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

• 至此，握手完成，客户端和服务器之间建立起WebSocket连接。

2. 数据传输阶段：
   • 连接建立后，客户端和服务器可以通过这个持久连接双向传输数据。数据以帧的形式传输，每个帧包含操作码（用于标识帧类型，如文本帧、二进制帧等）、掩码（客户端发送给服务器的数据帧需要进行掩码处理）和数据负载。例如，服务器向客户端推送股票行情数据时，会将行情数据封装在一个文本帧中发送，客户端接收到帧后，根据协议解析出数据。
3. 连接关闭阶段：
   • 当一方想要关闭连接时，会发送一个关闭帧，另一方收到关闭帧后响应一个关闭帧，然后双方关闭连接。例如，当服务器维护连接资源有限，检测到某个客户端长时间无操作时，服务器可以发送关闭帧关闭连接，客户端收到后回复关闭帧，完成连接关闭。