WebSocket

在 RFC 6455 规范中描述的 WebSocket 协议，提供了一种在浏览器和服务器之间建立持久连接来交换数据的方法。数据可以作为“数据包”在两个方向上传递，而无需中断连接也无需额外的 HTTP 请求。

对于需要连续数据交换的服务，例如网络游戏，实时交易系统等，WebSocket 尤其有用。

一个简单例子

要打开一个 WebSocket 连接，我们需要在 url 中使用特殊的协议 ws 创建 new WebSocket：

let socket = new WebSocket("ws://javascript.p2hp.com");

同样也有一个加密的 wss:// 协议。类似于 WebSocket 中的 HTTPS。

一旦 socket 被建立，我们就应该监听 socket 上的事件。一共有 4 个事件：

• open —— 连接已建立，
• message —— 接收到数据，
• error —— WebSocket 错误，
• close —— 连接已关闭。

……如果我们想发送一些东西，那么可以使用 socket.send(data)。

这是一个示例：

let socket = new WebSocket("wss://javascript.p2hp.com/article/websocket/demo/hello");

socket.onopen = function(e) {
  alert("[open] Connection established");
  alert("Sending to server");
  socket.send("My name is John");
};

socket.onmessage = function(event) {
  alert(`[message] Data received from server: ${event.data}`);
};

socket.onclose = function(event) {
  if (event.wasClean) {
    alert(`[close] Connection closed cleanly, code=${event.code} reason=${event.reason}`);
  } else {
    // 例如服务器进程被杀死或网络中断
    // 在这种情况下，event.code 通常为 1006
    alert('[close] Connection died');
  }
};

socket.onerror = function(error) {
  alert(`[error] ${error.message}`);
};

出于演示目的，在上面的示例中，运行着一个用 Node.js 写的小型服务器 server.js。它响应为 “Hello from server, John”，然后等待 5 秒，关闭连接。

所以你看到的事件顺序为：open → message → close。

这就是 WebSocket，我们已经可以使用 WebSocket 通信了。很简单，不是吗？

现在让我们更深入地学习它。

建立 WebSocket

当 new WebSocket(url) 被创建后，它将立即开始连接。

在连接期间，浏览器（使用 header）问服务器：“你支持 WebSocket 吗？”如果服务器回复说“我支持”，那么通信就以 WebSocket 协议继续进行，该协议根本不是 HTTP。

这是由 new WebSocket("wss://javascript.p2hp.com/chat") 发出的请求的浏览器 header 示例。

GET /chat
Host: javascript.p2hp.com
Origin: https://javascript.p2hp.com
Connection: Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Key: Iv8io/9s+lYFgZWcXczP8Q==
Sec-WebSocket-Version: 13

• Origin —— 客户端页面的源，例如 https://javascript.p2hp.com。WebSocket 对象是原生支持跨源的。没有特殊的 header 或其他限制。旧的服务器无法处理 WebSocket，因此不存在兼容性问题。但 Origin header 很重要，因为它允许服务器决定是否使用 WebSocket 与该网站通信。
• Connection: Upgrade —— 表示客户端想要更改协议。
• Upgrade: websocket —— 请求的协议是 “websocket”。
• Sec-WebSocket-Key —— 浏览器随机生成的安全密钥。
• Sec-WebSocket-Version —— WebSocket 协议版本，当前为 13。

如果服务器同意切换为 WebSocket 协议，服务器应该返回响应码 101：

101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: hsBlbuDTkk24srzEOTBUlZAlC2g=

这里 Sec-WebSocket-Accept 是 Sec-WebSocket-Key，是使用特殊的算法重新编码的。浏览器使用它来确保响应与请求相对应。

然后，使用 WebSocket 协议传输数据，我们很快就会看到它的结构（“frames”）。它根本不是 HTTP。

扩展和子协议

WebSocket 可能还有其他 header，Sec-WebSocket-Extensions 和 Sec-WebSocket-Protocol，它们描述了扩展和子协议。

例如：

• Sec-WebSocket-Extensions: deflate-frame 表示浏览器支持数据压缩。扩展与传输数据有关，扩展了 WebSocket 协议的功能。Sec-WebSocket-Extensions header 由浏览器自动发送，其中包含其支持的所有扩展的列表。

• Sec-WebSocket-Protocol: soap, wamp 表示我们不仅要传输任何数据，还要传输 SOAP 或 WAMP（“The WebSocket Application Messaging Protocol”）协议中的数据。WebSocket 子协议已经在 IANA catalogue 中注册。因此，此 header 描述了我们将要使用的数据格式。

  这个可选的 header 是使用 new WebSocket 的第二个参数设置的。它是子协议数组，例如，如果我们想使用 SOAP 或 WAMP：

  let socket = new WebSocket("wss://javascript.p2hp.com/chat", ["soap", "wamp"]);

服务器应该使用同意使用的协议和扩展的列表进行响应。

例如，这个请求：

GET /chat
Host: javascript.p2hp.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Origin: https://javascript.p2hp.com
Sec-WebSocket-Key: Iv8io/9s+lYFgZWcXczP8Q==
Sec-WebSocket-Version: 13
Sec-WebSocket-Extensions: deflate-frame
Sec-WebSocket-Protocol: soap, wamp

响应：

101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: hsBlbuDTkk24srzEOTBUlZAlC2g=
Sec-WebSocket-Extensions: deflate-frame
Sec-WebSocket-Protocol: soap

在这里服务器响应 —— 它支持扩展 “deflate-frame”，并且仅支持所请求的子协议中的 SOAP。

数据传输

WebSocket 通信由 “frames”（即数据片段）组成，可以从任何一方发送，并且有以下几种类型：

• “text frames” —— 包含各方发送给彼此的文本数据。
• “binary data frames” —— 包含各方发送给彼此的二进制数据。
• “ping/pong frames” 被用于检查从服务器发送的连接，浏览器会自动响应它们。
• 还有 “connection close frame” 以及其他服务 frames。

在浏览器里，我们仅直接使用文本或二进制 frames。

WebSocket .send() 方法可以发送文本或二进制数据。

socket.send(body) 调用允许 body 是字符串或二进制格式，包括 Blob，ArrayBuffer 等。不需要额外的设置：直接发送它们就可以了。

当我们收到数据时，文本总是以字符串形式呈现。而对于二进制数据，我们可以在 Blob 和 ArrayBuffer 格式之间进行选择。

它是由 socket.binaryType 属性设置的，默认为 "blob"，因此二进制数据通常以 Blob 对象呈现。

Blob 是高级的二进制对象，它直接与 <a>，<img> 及其他标签集成在一起，因此，默认以 Blob 格式是一个明智的选择。但是对于二进制处理，要访问单个数据字节，我们可以将其改为 "arraybuffer"：

socket.binaryType = "arraybuffer";
socket.onmessage = (event) => {
  // event.data 可以是文本（如果是文本），也可以是 arraybuffer（如果是二进制数据）
};

限速

想象一下：我们的应用程序正在生成大量要发送的数据。但是用户的网速却很慢，可能是在乡下的移动设备上。

我们可以反复地调用 socket.send(data)。但是数据将会缓冲（储存）在内存中，并且只能在网速允许的情况下尽快将数据发送出去。

socket.bufferedAmount 属性储存了目前已缓冲的字节数，等待通过网络发送。

我们可以检查它以查看 socket 是否真的可用于传输。

// 每 100ms 检查一次 socket
// 仅当所有现有的数据都已被发送出去时，再发送更多数据
setInterval(() => {
  if (socket.bufferedAmount == 0) {
    socket.send(moreData());
  }
}, 100);

连接关闭

通常，当一方想要关闭连接时（浏览器和服务器都具有相同的权限），它们会发送一个带有数字码（numeric code）和文本形式的原因的 “connection close frame”。

它的方法是：

socket.close([code], [reason]);

• code 是一个特殊的 WebSocket 关闭码（可选）
• reason 是一个描述关闭原因的字符串（可选）

然后，另外一方通过 close 事件处理器获取了关闭码和关闭原因，例如：

// 关闭方：
socket.close(1000, "Work complete");

// 另一方
socket.onclose = event => {
  // event.code === 1000
  // event.reason === "Work complete"
  // event.wasClean === true (clean close)
};

最常见的数字码：

• 1000 —— 默认，正常关闭（如果没有指明 code 时使用它），
• 1006 —— 没有办法手动设定这个数字码，表示连接丢失（没有 close frame）。

还有其他数字码，例如：

• 1001 —— 一方正在离开，例如服务器正在关闭，或者浏览器离开了该页面，
• 1009 —— 消息太大，无法处理，
• 1011 —— 服务器上发生意外错误，
• ……等。

完整列表请见 RFC6455, §7.4.1。

WebSocket 码有点像 HTTP 码，但它们是不同的。特别是，小于 1000 的码都是被保留的，如果我们尝试设置这样的码，将会出现错误。

// 在连接断开的情况下
socket.onclose = event => {
  // event.code === 1006
  // event.reason === ""
  // event.wasClean === false（未关闭 frame）
};

连接状态

要获取连接状态，可以通过带有值的 socket.readyState 属性：

• 0 —— “CONNECTING”：连接还未建立，
• 1 —— “OPEN”：通信中，
• 2 —— “CLOSING”：连接关闭中，
• 3 —— “CLOSED”：连接已关闭。

聊天示例

让我们来看一个使用浏览器 WebSocket API 和 Node.js 的 WebSocket 模块 https://github.com/websockets/ws 的聊天示例。我们将主要精力放在客户端上，但是服务端也很简单。

HTML：我们需要一个 <form> 来发送消息，并且需要一个 <div> 来接收消息：

<!-- 消息表单 -->
<form name="publish">
  <input type="text" name="message">
  <input type="submit" value="Send">
</form>

<!-- 带有消息的 div -->
<div id="messages"></div>

在 JavaScript 中，我们想要做三件事：

1. 打开连接。
2. 在表单提交中 —— socket.send(message) 用于消息。
3. 对于传入的消息 —— 将其附加（append）到 div#messages 上。

代码如下

let socket = new WebSocket("wss://javascript.p2hp.com/article/websocket/chat/ws");

// 从表单发送消息
document.forms.publish.onsubmit = function() {
  let outgoingMessage = this.message.value;

  socket.send(outgoingMessage);
  return false;
};

// 收到消息 —— 在 div#messages 中显示消息
socket.onmessage = function(event) {
  let message = event.data;

  let messageElem = document.createElement('div');
  messageElem.textContent = message;
  document.getElementById('messages').prepend(messageElem);
}

服务端代码有点超出我们的范围。在这里，我们将使用 Node.js，但你不必这样做。其他平台也有使用 WebSocket 的方法。

服务器端的算法为：

1. 创建 clients = new Set() —— 一系列 socket。
2. 对于每个被接受的 WebSocket，将其添加到 clients.add(socket)，并为其设置 message 事件侦听器以获取其消息。
3. 当接收到消息：遍历客户端，并将消息发送给所有人。
4. 当连接被关闭：clients.delete(socket)。

const ws = new require('ws');
const wss = new ws.Server({noServer: true});

const clients = new Set();

http.createServer((req, res) => {
  // 在这里，我们仅处理 WebSocket 连接
  // 在实际项目中，我们在这里还会有其他代码，来处理非 WebSocket 请求
  wss.handleUpgrade(req, req.socket, Buffer.alloc(0), onSocketConnect);
});

function onSocketConnect(ws) {
  clients.add(ws);

  ws.on('message', function(message) {
    message = message.slice(0, 50); // message 的最大长度为 50

    for(let client of clients) {
      client.send(message);
    }
  });

  ws.on('close', function() {
    clients.delete(ws);
  });
}

这是运行示例：

你也可以下载它（点击 iframe 右上角的按钮）然后在本地运行。运行之前请记得安装 Node.js 和 npm install ws。

总结

WebSocket 是一种在浏览器和服务器之间建立持久连接的现代方式。

• WebSocket 没有跨源限制。
• 浏览器对 WebSocket 支持很好。
• 可以发送/接收字符串和二进制数据。

WebSocket 的 API 很简单。

WebSocket 方法：

• socket.send(data)，
• socket.close([code], [reason])。

WebSocket 事件：

• open，
• message，
• error，
• close。

WebSocket 自身并不包含重新连接（reconnection），身份验证（authentication）和很多其他高级机制。因此，有针对于此的客户端/服务端的库，并且也可以手动实现这些功能。

有时为了将 WebSocket 集成到现有项目中，人们将主 HTTP 服务器与 WebSocket 服务器并行运行，并且它们之间共享同一个数据库。对于 WebSocket 请求使用一个通向 WebSocket 服务器的子域 wss://ws.site.com，而 https://site.com 则通向主 HTTP 服务器。

当然，其他集成方式也是可行的。