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WebSocket 是一种在单个 TCP 连接上进行全双工通信的网络协议，由 HTML5 规范引入，旨在解决传统 HTTP 协议在实时通信场景中的局限性。

一、背景与动机

传统的 Web 应用基于 HTTP/1.1，采用“请求-响应”模型：

• 客户端（如浏览器）发起请求；
• 服务器处理后返回响应；
• 连接随即关闭。

这种模式不适合需要服务器主动推送数据或低延迟双向通信的场景（如聊天应用、实时游戏、股票行情、协同编辑等）。为实现“伪实时”，早期常采用轮询（polling）或长轮询（long polling），但这些方法存在：

• 高延迟；
• 高开销（频繁建立连接、重复头部）；
• 服务器资源浪费。

WebSocket 正是为了解决这些问题而设计。

二、核心特点

1. 全双工通信
   客户端和服务器可同时独立发送数据，无需等待对方响应。

2. 持久连接
   一次握手建立连接后，连接保持打开，直到显式关闭。

3. 低开销
   数据帧头部极小（2~14 字节），相比 HTTP 的冗余头部更高效。

4. 基于 TCP
   可靠、有序、面向连接。

5. 兼容 HTTP 端口
   默认使用ws://（80 端口）或wss://（443 端口，加密），便于穿越防火墙和代理。

三、工作流程

1. 握手阶段（HTTP Upgrade）
   客户端通过 HTTP 发起升级请求：

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

   服务器响应：

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

   握手成功后，底层 TCP 连接转为 WebSocket 协议。

2. 数据传输阶段
   双方可通过 WebSocket 帧（frame）自由发送文本（UTF-8）或二进制数据。

3. 关闭连接
   任一方可发送关闭帧（close frame），实现优雅关闭。

四、应用场景

• 实时聊天/消息系统
• 在线多人游戏
• 实时仪表盘（监控、金融数据）
• 协同文档编辑（如 Google Docs）
• IoT 设备状态同步

五、安全考虑

• 使用wss://（WebSocket Secure）防止中间人攻击；
• 验证Origin头防止跨站 WebSocket 劫持（CSWSH）；
• 对用户身份进行认证（通常在握手前通过 Cookie 或 Token）；
• 限制连接数防 DoS。

六、编程示例（简要）

前端（JavaScript）

constws=newWebSocket('wss://example.com/socket');ws.onopen=()=>ws.send('Hello Server');ws.onmessage=(event)=>console.log('Received:',event.data);ws.onclose=()=>console.log('Connection closed');

后端（Python + websockets 库）

importasyncioimportwebsocketsasyncdefhandler(websocket,path):asyncformessageinwebsocket:awaitwebsocket.send(f"Echo:{message}")start_server=websockets.serve(handler,"localhost",8765)asyncio.get_event_loop().run_until_complete(start_server)asyncio.get_event_loop().run_forever()

七、与类似技术对比

WebSocket 已成为现代 Web 实时通信的事实标准，广泛用于需要低延迟、高频率交互的应用中。