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WebSocket✅

什么是 WebSocket？它与 HTTP 的主要区别是什么？​

答案

WebSocket 是一种在单个 TCP 连接上进行全双工通信的协议，允许在浏览器和服务器之间建立持久性的连接，实现实时双向数据传输。

WebSocket 与 HTTP 的主要区别

特性WebSocketHTTP
连接方式建立单个持久连接，保持长时间开放每次请求-响应都需要建立新连接，响应后立即关闭
通信模式全双工，双向实时通信半双工，客户端请求/服务器响应模式
数据开销建立连接后，头部信息小，传输效率高每次请求都包含完整的 HTTP 头信息，开销较大
服务器推送原生支持服务器主动向客户端推送数据需要通过轮询或长轮询等技术模拟
协议标识ws:// 或 wss:// (加密)http:// 或 https:// (加密)
应用场景实时应用（聊天、游戏、股票行情等）传统网页内容加载和数据交换
握手过程以 HTTP 握手开始，然后升级到 WebSocket 协议每次都是完整的 HTTP 请求-响应流程
状态保持有状态 - 连接会持续保持无状态 - 每次请求相互独立

WebSocket 特别适用于需要低延迟、高频率数据交换的场景：

  1. 实时聊天应用 - 消息实时发送接收
  2. 在线协作工具 - 文档同步编辑
  3. 金融交易平台 - 股票价格实时更新
  4. 在线游戏 - 实时游戏状态同步
  5. 物联网应用 - 设备状态实时监控

工作原理简述

  1. 连接建立: WebSocket 通过 HTTP 升级机制建立连接，之后协议从 HTTP 切换到 WebSocket
  2. 双向通信: 一旦连接建立，客户端和服务器可以随时相互发送消息，不需要重新建立连接
  3. 数据格式: 支持文本和二进制数据传输
  4. 连接关闭: 任何一方都可以主动关闭连接

答案解析

WebSocket 协议解决了 Web 应用中实时通信的核心问题，避免了 HTTP 轮询带来的延迟和资源浪费。理解 WebSocket 与 HTTP 的区别，有助于在适当的场景选择正确的通信协议，提高应用性能和用户体验。

面试官视角

  • 核心考察点: WebSocket 协议的基本概念、与 HTTP 的区别、适用场景理解
  • 评分标准:
    • 良: 能正确描述 WebSocket 的基本特性和与 HTTP 的主要区别
    • 优: 能详细分析两种协议的性能差异、适用场景，并结合实际项目经验讨论选型考虑因素

请详细描述 WebSocket 握手过程及数据帧格式?​

答案

WebSocket 通过 HTTP 协议升级机制建立连接，握手完成后通信协议从 HTTP 转换为 WebSocket。

  1. 客户端握手请求， 客户端发送标准的 HTTP 请求，但包含特殊的头部信息：

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

    关键头部说明：

    • Upgrade: websocket - 请求升级到 WebSocket 协议
    • Connection: Upgrade - 表示要升级连接
    • Sec-WebSocket-Key - 随机生成的 Base64 编码字符串，用于验证服务器
    • Sec-WebSocket-Protocol - 客户端支持的子协议列表（可选）
    • Sec-WebSocket-Version - WebSocket 协议版本

  2. 服务器握手响应，服务器接受升级请求后，返回特殊响应：

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

    关键头部说明：

    • HTTP/1.1 101 Switching Protocols - 状态码 101 表示协议切换成功
    • Sec-WebSocket-Accept - 根据客户端的 Sec-WebSocket-Key 计算得出的值
    • 计算方法：将 Sec-WebSocket-Key 与固定 GUID 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 拼接
    • 计算 SHA-1 哈希，然后进行 Base64 编码

  3. 连接建立， 握手完成后，HTTP 连接升级为 WebSocket 连接，数据传输使用 WebSocket 协议的二进制帧格式。

WebSocket 数据帧格式

  1. FIN (1 bit):

    • 1 = 消息的最后一个分片
    • 0 = 后续还有分片

  2. RSV1, RSV2, RSV3 (各1 bit):

    • 保留位，默认为0，用于协议扩展

  3. Opcode (4 bits):

    • 0x0: 继续前一个分片
    • 0x1: 文本帧
    • 0x2: 二进制帧
    • 0x8: 连接关闭
    • 0x9: Ping (心跳检查)
    • 0xA: Pong (心跳响应)

  4. MASK (1 bit):

    • 1 = 数据已被掩码处理（客户端发送的帧必须设置为1）
    • 0 = 数据未被掩码处理（服务器发送的帧必须设置为0）

  5. Payload length:

    • 0-125: 数据的实际长度
    • 126: 后续2字节表示实际长度（16位无符号整数）
    • 127: 后续8字节表示实际长度（64位无符号整数）

  6. Masking-key (32 bits):

    • 仅当MASK=1时存在
    • 用于对负载数据进行异或运算

  7. Payload Data:

    • 实际传输的数据内容

其他细节

  1. 掩码处理，客户端发送到服务器的所有帧必须使用掩码处理，防止缓存污染攻击：

    masked_data[i] = original_data[i] XOR masking_key[i % 4]

    服务器必须解码掩码数据，而服务器发送到客户端的帧不应使用掩码。

  2. 安全性考虑

    1. 掩码机制: 客户端强制掩码可防止基于Web的代理缓存投毒攻击
    2. 同源策略: 浏览器实施WebSocket的同源安全策略
    3. TLS加密: 推荐使用wss://（WebSocket Secure）而非ws://
    4. 握手验证: 服务器计算Sec-WebSocket-Accept确保握手真实性
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