websocket教程

提纲
1、websocket协议概述
包括基本功能，提出时间，标准文档
2、websocket的连接建立过程和报文结构
3、websocket的消息帧结构
4、web前端对websocket的支持方案
5、java后端的websocket技术方案

1、websocket协议概述

websocket协议是对http协议的扩充，是使用的TCP协议实现全双工通信的一种应用层协议。
websocket协议允许服务端向客户端主动推送消息，而http是需要浏览器主动请求服务器，服务器才会给浏览器回送消息。在websocket协议中，服务器不需要浏览器主动请求它，它就会给浏览器发送数据。
websocket协议中，最初建立连接的时候，浏览器和服务端只需要进行一次基于http协议的握手，不必像http协议一样，每次连接都要新建立连接。
使用ws协议的客户端和服务端之间创建的是持久性的连接，并进行双向的数据交互。
也就是说一旦浏览器和服务器之间建立起来websocket连接，那么浏览器可以给服务器发送消息，服务器也可以给浏览器发送消息。

http/1.1 是请求-响应设计的，后来支持了更多的传输类型图片，但都是基于请求响应。

http的不足：
传输数据为文本，且请求头与响应头冗长重复。
请求-响应模式，只能客户端发送请求给服务端，服务端才可以发送响应数据给客户端。

WebSocket为Web应用程序提供了TCP风格的网络能力。寻址仍然是单向的，服务器可以异步发送客户端数据，但是只在WebSocket连接打开时才能做到。在客户端和服务器之间WebSocket连接始终打开。WebSocket服务器也可以作为WebSocket客户端。但是，利用WebSocket，Web客户端不能接受不是由它们建立的连接。

2、websocket连接建立过程和报文结构

每个WebSocket连接都始于一个HTTP请求。该请求和其他请求很相似，但是包含一个特殊的首标-Upgrade。Upgrade首标表示客户端将把连接升级到其他的协议。在这种情况下，这个其他协议就是WebSocket。

上图就是浏览器和服务器之间建立websocket连接的过程。
websocket首次请求服务端建立连接，也是客户端发起的，基于http请求的，这个请求称为websocket的握手请求。请求头中多携带消息

请求报文
GET /test HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: tFGdnEL/5fXMS9yKwBjllg==
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Protocol: v10.stomp, v11.stomp, v12.stomp
Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits
Sec-WebSocket-Version: 13

Connection必须设置Upgrade，表示客户端希望连接升级。
Upgrade: websocket表明协议升级为websocket。
Sec-WebSocket-Key字段内记录着握手过程中必不可少的键值，由客户端（浏览器）生成，可以尽量避免普通HTTP请求被误认为Websocket协议。
Sec-WebSocket-Version 表示支持的Websocket版本。RFC6455要求使用的版本是13。
Origin字段是必须的。如果缺少origin字段，WebSocket服务器需要回复HTTP 403 状态码（禁止访问），通过Origin可以做安全校验。

响应报文
HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: HaA6EjhHRejpHyuO0yBnY4J4n3A=
Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate;client_max_window_bits=15
Sec-WebSocket-Protocol: v12.stomp

Sec-WebSocket-Accept的字段值是由握手请求中的Sec-WebSocket-Key的字段值生成的。成功握手确立WebSocket连接之后，通信时不再使用HTTP的数据帧，而采用WebSocket独立的数据帧。

上图展示了从客户端发往服务器升级为WebSocket的HTTP请求，也称作WebSocket初始握手(opening handshake)。有些首标是必需的，必需存在并且要精确才能保证WebSocket连接成功。这一握手中的其他首标是可选的，但因为握手是一次HTTP请求和响应，所以也是允许的。在成功升级后，连接的语法切换为用于表示WebSocket消息的数据帧格式。除非服务器响应101代码、Upgrade首标和Sec-WebSocket-Accept首标，否则WebSocket连接不能成功。Sec-WebSocket-Accept响应首标的值从Sec-WebSocket-Key请求首标继承而来，包含一个特殊的响应键值，必需与客户端的预期精确匹配。

计算响应键值
为了成功地完成握手，WebSocket服务器必须响应一个计算出来的键值。这个响应说明服务器理解WebSocket协议。响应函数从客户端发送的Sec-WebSocket-Key首标中取得键值，并在Sec-WebSocket-Accept首标中返回根据客户端预期计算的键值。

3、websocket的消息帧结构

WebSocket使用二进制消息帧作为双向通信的媒介。何为消息帧？发送方将每个应用程序消息拆分为一个或多个帧，通过网络将它们传输到目的地，并重新组装解析出一个完整消息。

有别于HTTP/1.1文本消息格式（冗长的消息头和分隔符等），WebSocket消息帧规定一定的格式，以二进制传输，更加短小精悍。二者相同之处就是都是基于TCP/IP流式协议（没有规定消息边界）

WebSocket帧化代码负责：操作码、长度、解码文本、屏蔽、多帧消息
操作码：每条WebSocket消息都有一个指定消息载荷类型的操作码。操作码由帧头的第一个字节中最后4bit组成。4bit的操作码有16种可能取值，WebSocket协议只定义了5种操作码，剩余的操作码保留用于未来的扩展。

FIN: 1 bit，表示该帧是否为消息的最后一帧。1-是，0-否。
RSV1,RSV2,RSV3: 1 bit each，预留(3位)，扩展的预留标志。一般情况为0，除非协商的扩展定义为非零值。如果接收到非零值且不为协商扩展定义，接收端必须使连接失败。
Opcode: 4 bits，定义消息帧的操作类型，如果接收到一个未知Opcode，接收端必须使连接失败。（0x0-延续帧，0x1-文本帧，0x2-二进制帧，0x8-关闭帧，0x9-PING帧，0xA-PONG帧（在接收到PING帧时，终端必须发送一个PONG帧响应，除非它已经接收到关闭帧），0x3-0x7保留给未来的非控制帧，0xB-F保留给未来的控制帧）
Mask: 1 bit，表示该帧是否为隐藏的，即被加密保护的。1-是，0-否。Mask=1时，必须传一个Masking-key，用于解除隐藏（客户端发送消息给服务器端，Mask必须为1）。
Payload length: 7 bits, 7+16 bits, or 7+64 bits，有效载荷数据的长度（扩展数据长度+应用数据长度，扩展数据长度可以为0）。
Masking-key: 0 or 4 bytes，用于解除帧隐藏（加密）的key，Mask=1时不为空，Mask=0时不用传。
Payload data: (x+y) bytes，有效载荷数据包括扩展数据（x bytes）和应用数据（y bytes）。有效载荷数据是用户真正要传输的数据。

参考资料：
1、https://www.cnblogs.com/flydean/p/15341443.html#websocketserverhandshaker，主力参考资料，通过仔细阅读这篇文章，我搞懂了王冬车俩推送的主体逻辑。
2、https://blog.csdn.net/mahao25/article/details/127418543，补充文档。
3、https://blog.csdn.net/fffvdgjvbsfkb123456/article/details/116465394，重要参考，从协议数据包角度讲了websocket和http的区别。
4、https://baijiahao.baidu.com/s?id=1706643919026404240&wfr=spider&for=pc，协议数据包详细讲解
5、https://blog.csdn.net/asmartkiller/article/details/102623132，对websocket的报文做了详细讲解
6、https://www.ruanyifeng.com/blog/2017/05/websocket.html，前端websocket api