面试题：网络编程之WebSocket在物联网实时通信中的应用原理

Question

请阐述WebSocket协议在物联网设备间实现实时通信相较于传统HTTP协议有哪些优势？并简要说明WebSocket实现实时通信的基本原理。

Answer 1

优势

1. 持久连接：
   • HTTP协议是无状态的，每次请求 - 响应完成后连接就会关闭。对于物联网设备间需要持续交换数据的场景，频繁建立和关闭连接会带来额外开销。而WebSocket协议在建立连接后，通信双方可以在该连接上持续进行数据传输，减少了连接建立的开销，提高了通信效率。
2. 双向通信：
   • HTTP协议主要是客户端发起请求，服务器响应的模式。在物联网中，有时需要服务器主动向设备推送数据，如远程控制设备状态更新等，HTTP这种单向请求模式实现起来较复杂，常需轮询等方式模拟。WebSocket协议支持双向通信，服务器和客户端都可以主动发送消息，能更及时地进行数据交互，适合物联网实时控制和监控的需求。
3. 数据开销小：
   • HTTP协议头部信息较多，即使传输少量数据也会携带大量元数据。WebSocket协议的头部相对简单，在传输相同数据量时，WebSocket的数据开销更小，对于资源受限的物联网设备来说，更节省网络带宽和设备资源。

基本原理

1. 握手阶段：
   • 客户端通过HTTP请求发起WebSocket连接，请求头中包含特殊字段，如 Upgrade: websocket 等，告知服务器想要建立WebSocket连接。
   • 服务器收到请求后，如果支持WebSocket协议，会返回101 Switching Protocols响应，表明同意切换协议，完成握手过程，此时TCP连接从HTTP协议转换为WebSocket协议。
2. 数据传输阶段：
   • 握手成功后，双方通过这个持久的TCP连接进行数据传输。WebSocket数据帧格式包含操作码、掩码等字段，操作码表示数据类型（如文本、二进制等），掩码用于数据加密。双方按照约定的帧格式在连接上互相发送和接收数据，实现实时通信。