WebSockets协议与长连接机制

作为网络发展的一个方面，实时访问消费者与服务器之间的联系，现在已成为创建互动式网页程序的重要步骤，同时也为人们带来了极大的便利。 尽管请求-响应机制非常灵活且强大，但在需要快速数据传输或低延迟的场景中，它可能并不适用。 幸运的是，有两种著名的技术能够很好地满足这些需求：WebSockets和Long Polling。 在本文中，我们将详细探讨每一种协议的细节，并分析它们在各种应用场景中的优缺点，从而确定哪种协议最为适合。

WebSockets协议

WebSockets是一种全双工的通信方式，其通信过程是通过一个长期存在的连接来完成的。 这些交换过程是通过普通文本来进行的，没有使用任何额外的协议或封装层（因为那样只会增加不必要的开销）。 与传统的HTTP协议不同，后者会不断地发送各种请求和响应。就像在《丛林之书》中那样，每次有人发送请求时，都会有一些响应随之而来。这种机制在《丛林之书》中被反复使用，每当有人想要获取某个信息时，就会进行这样的操作。 WebSockets 可以同时进行双向通信。 信息在服务器和客户端之间不断流动，这一过程是通过建立持久连接来实现的。这些连接是在进行握手操作时建立的，握手过程中会包含协议版本号以及相关规则信息。

• 握手请求
  • 客户端向服务器发送了一个HTTP请求，该请求的“Upgrade”头部字段的值为“$websocket$”，目的是为了实现双向文本消息的交换。
• 握手回应
  • 如果服务器确实支持 WebSocket，那么它会返回一个 HTTP 101 状态码，以表明升级请求已被接受，同时也会建立连接。
• Sec-WebSocket-Key
  • 除了接受由数字标识的客户端发出的连接请求之外，还需要实现另一个回调机制。当服务器收到包含自己独特的认证密钥的请求时（“Sec-WebSocket-Key”），服务器会返回一个由算法生成的、由服务器自行选择的认证密钥（“Sec-WebSocket-Key”）。
• 稳定的关系/联系
  • 连接已经建立。现在，客户端和服务器之间实现了持续的、全双工的连接——这一切都是通过一条TCP连接来实现的。
• WebSocket帧格式t
  • WebSocket帧：双方之间传输的数据都遵循某种特定的格式。这些数据可以是二进制数据，也可以是文本数据。
• 断开连接
  • 当这种连接需要在某个周期结束之前被终止时，客户端或服务器都可以通过发送一个特殊的帧来发起终止操作。这样，WebSocket连接就可以优雅地关闭了。

特征/特点

• 全双工通信：WebSockets支持双向通信，能够同时实现数据的双向传输。也就是说，WebSockets可以使得数据在双向方向上都能被传输。
• 实时更新：由于该协议是为实时应用而设计的，因此它非常适合那些需要即时更新的应用场景。比如在线聊天场景，在这里，收益会在某一时刻发生，也可能在某一时刻被损失掉。
• 低延迟：WebSockets的工作原理是建立持久性的连接，以此来减少延迟。一旦连接被建立后，就不会再重复创建该连接了。这样一来，每次数据交换时所需的通信开销就大大减少了。这与HTTP/1或HTML 5中的“服务器发送事件”功能相比，后者在等待浏览器发送最后请求时会导致网站进入休眠状态。而WebSockets则避免了这种情况的发生。
• 二进制数据及文本数据的支持：WebSockets可以处理二进制数据以及文本数据，因此它能够满足各种不同类型应用程序的需求。
• 跨源通信：WebSockets的另一个优点在于，由于它们支持跨源通信，因此可以在不同域名之间发送数据。

优点/好处

• 效率：降低了运营成本。这种新的WebSockets技术减少了反复建立连接以及重新关闭连接的次数，因此其效率比传统的HTTP轮询方式要高得多。
• 降低服务器负载：WebSockets的一个优点在于，一旦连接被建立之后，它就会一直保持开放状态。只有一台服务器负责处理请求，而不像长轮询方式那样，每隔几秒或几分钟就需要重新建立一次连接。
• 低延迟：WebSockets中的这种直接且持续的连接方式，能够有效降低延迟。因此，它非常适合那些对实时性要求极高的应用程序。
• 双向沟通：双向通信是WebSockets的特点。客户端和服务器都可以进行数据传输。
• 多功能性：WebSockets可以处理多种类型的数据，因此非常适合各种应用场景。

缺点/不利因素

• 防火墙问题：有一些网络配置和防火墙可能会阻碍WebSockets的传输，尤其是在那些资源限制较大的情况下。
• 复杂性：WebSockets的实现方式比传统的基于HTTP的实现要复杂得多，这一点是毋庸置疑的。例如，从一种技术范式转换到另一种技术范式，对于那些不熟悉WebSocket技术的开发者来说，确实是一件困难的事情。
• 资源消耗：不过，随着连接数量的增加，这些连接会持续不断地占用资源。与无状态连接相比，有状态的连接会消耗更多的资源。
• 浏览器支持情况：虽然得到了广泛的支持，但像微软的Internet Explorer 10这样的旧版浏览器，以及一些更早的版本，对WebSockets的支持有限或根本不支持。因此，需要一些备用机制来应对这种情况。
• 连接终止的挑战：优雅地处理断开连接的过程可能会有些困难，甚至有时客户端或服务器会突然中断连接。

长连接/持久性查询

另一种方法是长轮询。这种方法特别适用于那些需要实时消息传递的场景，而此时，由于浏览器不支持WebSockets技术，因此长轮询就变得非常有用。在长轮询模式下，客户端会向服务器端发送请求。服务器会一直等待，直到收到新的数据或达到超时时间为止。当收到新数据或超时时间到时，服务器才会向客户端返回响应。这个过程会不断重复下去。

• 客户请求
  • 客户向服务器发送一个标准的HTTP请求。通常，这种请求只是为了获取信息或更新数据而已，不会涉及到长时间的下载等操作。
• 服务器正在处理该请求。
  • 不过，为了实现这一点，服务器并不会立即做出响应。请求会被暂时搁置；之后，它会等待新的数据到来，然后再继续处理该请求。
• 长轮询周期
  • 这种连接可以持续更长时间，从而让服务器有足够的时间来获取或生成所需的数据。
• 数据已准备好使用。
  • 每当有新的数据可用时，服务器就会向该无限制请求发送相应的响应，同时附上那些信息。
• 客户端处理数据
  • 接收到的数据由客户端进行处理，他们会立即生成一个新的请求，以持续更新信息流。
• 重复循环
  • 同时，只有当双方的通信过程持续进行下去时，才能确保新数据的传输。而这一过程会不断重复，只要客户端应用程序继续发出新的请求。

特点/特征

• 模拟的实时通信：长连接使用HTTP来建立连接，并持续保持该连接开放状态，直到有新数据到达为止。这样就能营造出实时通信的假象。
• 兼容性：由于这是通过标准的HTTP服务器来实现的，因此它可以与现有的基础设施进行集成。
• 兼容防火墙和代理服务器：实际上，Long Polling对防火墙和代理服务器来说应该是友好的：它使用的是标准的HTTP请求方式。
• 服务器负载增加：由于始终采用较长的轮询时间，因此连接数会非常多，这可能会给服务器带来额外的负担。
• 由客户端发起的请求：在长轮询模式下，一切取决于客户端是否主动发起更新请求。这实际上是一种“拉取机制”。

优点/优势

• 兼容性：长轮询方式利用了现有的各种基础设施，因为它使用的是众所周知的HTTP请求方式。
• 简单性：与WebSockets相比，实现长连接的方式要简单得多。尤其是在那些不支持WebSockets的情况下，使用长连接更为合适。
• 防火墙与代理服务器的兼容性：长轮询方式可以跳过与WebSockets相关的防火墙和代理问题。
• 粒度控制：长轮询方式能够更精细地控制更新时机，从而降低数据传输的频率。
• 备用机制：在那些无法使用原生WebSocket功能或需要复杂处理机制的环境中，长轮询可以作为一种备选方案来使用。

缺点/不利因素

• 延迟：长轮询方式会导致延迟，因为客户端需要等待更新信息的到来。因此，最佳的做法是在服务器拥有最新信息时立即发送数据。
• 服务器负载增加：需要处理和管理大量开放连接的情况，这可能会导致服务器负载的增加。
• 连接限制：一些服务器和基础设施还可能设定连接限制，这会影响长连接技术的可扩展性。
• 并非真正的双向性：长轮询模拟了双向通信，但它缺乏WebSockets那种真正的双向特性。
• 资源消耗：如果长时间保持一些连接处于开放状态，就会消耗服务器的资源，从而可能影响整体的性能。

WebScokets与长轮询之间的区别

特点/特征

WebSockets

长连接/长时间轮询