网络模型与协议/应用层：Websocket协议介绍

介绍

WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议，它允许在客户端和服务器之间进行实时数据传输。WebSocket协议基于HTTP协议，但是它支持双向通信，可以在客户端和服务器之间双向发送数据，而HTTP协议只支持单向通信，客户端向服务器发送请求，服务器响应请求。

WebSocket协议的优势在于它能够实现实时交互，而不需要像传统HTTP协议一样不停地发送请求来获取最新数据。这使得WebSocket在实时应用程序中非常有用，例如在线游戏、聊天应用和股票交易等。

WebSocket协议建立在HTTP协议之上，并使用HTTP协议的握手过程来建立连接。在握手过程中，客户端发送一个HTTP请求到服务器，请求升级协议到WebSocket。如果服务器支持WebSocket协议，它将响应一个HTTP 101状态码，表示升级成功，此后客户端和服务器可以开始进行WebSocket通信。

WebSocket协议使用固定的帧结构来发送数据，每个帧包含标识数据类型、数据长度、掩码和数据负载等信息。掩码用于加密数据，以便在网络传输中保护数据安全性。

生命周期

WebSocket协议的生命周期主要包括四个阶段：握手、连接、数据传输和关闭。

1. 握手阶段：在握手阶段，客户端通过发送HTTP请求到服务器来建立WebSocket连接。请求中包含Upgrade头部字段，指明客户端希望升级到WebSocket协议。如果服务器同意升级，会返回HTTP 101状态码，并在响应头中包含Upgrade和Connection头部字段，表示升级成功。此时WebSocket连接建立成功，客户端和服务器可以开始进行数据传输。

2. 连接阶段：在连接阶段，客户端和服务器之间通过WebSocket连接进行数据传输。客户端和服务器可以双向发送数据，包括文本、二进制、ping和pong等类型的数据。WebSocket连接是全双工的，客户端和服务器可以同时发送和接收数据。此阶段可以持续一段时间，直到需要关闭连接。

3. 数据传输阶段：在数据传输阶段，客户端和服务器之间可以通过WebSocket连接传输任意类型的数据。客户端和服务器可以随时发送和接收数据，包括实时数据和历史数据等。此阶段可以持续一段时间，直到需要关闭连接。

4. 关闭阶段：在关闭阶段，客户端或服务器可以通过发送关闭帧来关闭WebSocket连接。关闭帧包含一个特殊的Opcode和一个关闭码，表示关闭连接的原因。当客户端或服务器接收到关闭帧后，会发送一个关闭响应帧，表示已经成功关闭连接。此时WebSocket连接关闭，生命周期结束。

帧结构

WebSocket协议使用固定的帧结构来发送数据，每个帧包含以下几个部分：

1. FIN（1 bit）：表示当前帧是否为消息的最后一帧，如果是，则为1，否则为0。

2. RSV1、RSV2、RSV3（各1 bit）：保留位，暂时没有使用，必须为0。

3. Opcode（4 bit）：表示当前帧的数据类型，包括文本、二进制、关闭连接、ping和pong等类型。

4. Mask（1 bit）：表示数据是否进行掩码处理，客户端发送到服务器的数据必须进行掩码处理，服务器发送到客户端的数据必须不进行掩码处理。

5. Payload length（7 bit或7+16 bit或7+64 bit）：表示数据负载的长度，如果长度小于126，则只使用7位表示长度；如果长度等于或大于126，但小于等于65535，则使用7+16位表示长度；如果长度大于65535，则使用7+64位表示长度。

6. Masking key（32 bit）：如果Mask为1，则需要使用4个字节的掩码密钥对数据进行掩码处理。

7. Payload data：数据负载，长度根据Payload length的值确定，如果Mask为1，则需要使用掩码密钥对数据进行解码。