WebSocket与实时通讯技术

# 一、WebSocket简介

## 1.1 传统通讯方式的局限性
传统的HTTP通信协议使用的是"请求-响应"模式，即客户端发送请求，服务器响应请求，这种方式在实时通讯场景下存在一定的局限性。例如，聊天应用中需要频繁地向服务器发送请求来获取新消息，这种轮询的方式既浪费了带宽又增加了服务器的负载。此外，HTTP协议不支持服务器主动向客户端发送消息，需要客户端不断地发送请求才能获取消息，效率低下。

## 1.2 WebSocket的定义与特点
WebSocket是一种全双工通信协议，允许客户端和服务器之间进行实时的双向通讯。它基于HTTP协议，但是与HTTP有所不同，WebSocket客户端与服务器只需要进行一次握手，之后就可以通过建立的连接进行双向通讯，不再需要发送多余的HTTP请求。相比于传统的HTTP通信，WebSocket具有实时性好、效率高、数据传输量小等特点。

## 1.3 WebSocket与HTTP/HTTPS的对比
- 连接方式：HTTP协议使用"请求-响应"模式，需要客户端发送请求，服务器响应请求。而WebSocket通过一次握手后建立连接，客户端和服务器可以进行双向通信。
- 数据传输量：由于不需要频繁地发送HTTP请求，WebSocket的数据传输量相对较小，减少了网络负载。
- 实时性：WebSocket的实时性较好，可以实时地推送消息给客户端，而HTTP协议需要客户端不断发送请求来获取新数据。

### 二、WebSocket的工作原理

#### 2.1 握手过程

WebSocket的握手过程与HTTP的握手过程类似，但存在一些细微的差别。下面是WebSocket握手的具体步骤：

1. 客户端发送HTTP请求到服务器，请求中包含Upgrade字段，表明客户端希望升级协议为WebSocket。
2. 服务器收到请求后，进行判断是否支持WebSocket协议。如果支持，则生成随机的WebSocket协议版本号，并返回响应。
3. 客户端收到响应后，进行验证服务器返回的状态码以及协议版本号是否匹配。如果匹配，则客户端认可服务器的WebSocket支持。
4. 合法的握手完成后，双方可以通过WebSocket进行实时通讯。

以下是一段用Python实现WebSocket握手的示例代码：

import socket
import base64
import hashlib

# WebSocket握手
def handshake(client_socket):
    # 读取客户端的请求数据
    request_bytes = client_socket.recv(1024)
    request = request_bytes.decode()

    # 获取Sec-WebSocket-Key字段的值
    key = ''
    for line in request.split('\r\n'):
        if 'Sec-WebSocket-Key' in line:
            key = line.split(':')[1].strip()

    # 生成响应的Sec-WebSocket-Accept字段的值
    magic_string = '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11'
    accept_key = base64.b64encode(hashlib.sha1((key + magic_string).encode()).digest()).decode()

    # 构造响应
    response = "HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n"
    response += "Upgrade: websocket\r\n"
    response += "Connection: Upgrade\r\n"
    response += "Sec-WebSocket-Accept: " + accept_key + "\r\n\r\n"

    # 发送响应到客户端
    client_socket.send(response.encode())

# 创建socket对象
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind(('127.0.0.1', 8000))
server_socket.listen(5)

while True:
    # 等待客户端连接
    print('Waiting for connection...')
    client_socket, address = server_socket.accept()
    print('Connected with', address)

    # 进行握手
    handshake(client_socket)

    # 后续处理...

上述代码中，通过创建一个服务器socket对象，并监听8000端口。当有客户端连接时，会进行WebSocket的握手过程。握手过程中，服务器会读取客户端的握手请求，并生成响应数据返回给客户端，完成握手。

#### 2.2 数据传输方式

WebSocket支持全双工、双向通信，可以实现服务器主动向客户端推送消息。数据传输过程中，采用帧（Frame）的方式进行。

每个WebSocket帧由多个字节组成，包含以下几个部分：

- **Fin（1 bit）**：表示是否是消息的最后一个帧。
- **Opcode（4 bits）**：标识数据的类型，常用的有文本（Text）帧和二进制（Binary）帧。
- **Mask（1 bit）**：用于掩码处理，WebSocket规定客户端发送的帧必须进行掩码处理。
- **Payload length（7 bits或7 + 16 bits或7 + 64 bits）**：标识负载数据的长度。
- **Masking key（0或4 bytes）**：只有在Mask为1时才存在，用于解码负载数据。
- **Payload data（变长）**：存储实际的负载数据。

以下是一段用Python实现发送WebSocket文本帧的示例代码：

import struct
import socket

def send_text_message(client_socket, message):
    message = message.encode()
    header = b'\x81'

    payload_length = len(message)
    if payload_length <= 125:
        header += struct.pack('!B', payload_length)
    elif 126 <= payload_length <= 65535:
        header += b'\x7e' + struct.pack('!H', payload_length)
    else:
        header += b'\x7f' + struct.pack('!Q', payload_length)

    data = header + message
    client_socket.send(data)

# 创建socket对象
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client_socket.connect(('127.0.0.1', 8000))

while True:
    message = input('Please enter mes