Socket 与 WebSocket

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  • 本文标题:Socket 与 WebSocket
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2016-09-15 更新: 加入 PDF 版本网络协议图


去年光棍节的时候,我写过一篇 quick-cocos2d-x 中的 socket 技术选择:LuaSocket 和 WebSocket 。这篇文章介绍了我为何决定在项目中使用 LuaSocket 。

现在想起来,当时对 WebSocket 是很感兴趣的,但由于服务端的限制,最终依然选择了 LuaSocket。我后来对 LuaSocket 进行了封装,使其更好用。

现在,面对一个全新的项目,我自然而然地选择了 WebSocket。

因此,我需要了解下面这些问题:

  1. Socket 和 WebSocket 有哪些区别和联系?
  2. WebSocket 和 HTML5 是什么关系?
  3. 必须在浏览器中才能使用 WebSocket 吗?
  4. WebSocket 能和 Socket 一样传输 raw 数据么?
  5. WebSocket 和 Socket 相比会多耗费流量么?

但是,目前网上全面介绍这两种协议的中文文章并不多,或者说不够全面。我无法找到一篇文章能解决上面的所有问题。因此,我写了本文,把找到的 Socket 和 WebSocket 的相关资料做一个梳理,以方便理解。

本文并不能直接完整回答上面提出的几个问题,但读完本文,要理解上面的那些问题,是很容易的事。

由于能力有限,本文不可能很长。而且,技术细节并非所有人都愿意仔细了解。本文包含了大量的外部链接,跟随这些链接,可以找到足够多的细节,满足你/我的求知欲。


1. 概述

选择了 WebSocket 技术之后,不可避免的,我要将它和其他协议以及技术做一下比较。最常见的,就是需要比较 WebSocket 与 HTTP、Socket 技术的异同。

WebSocket 是为了满足基于 Web 的日益增长的实时通信需求而产生的。在传统的 Web 中,要实现实时通信,通用的方式是采用 HTTP 协议不断发送请求。但这种方式即浪费带宽(HTTP HEAD 是比较大的),又消耗服务器 CPU 占用(没有信息也要接受请求)。(下图来自 WebSocket.org

Latency comparison between the polling and WebSocket applications

而是用 WebSocket 技术,则会大幅降低上面提到的消耗:(下图来自 websocket.org

Comparison of the unnecessary network throughput overhead between the polling and the WebSocket applications

关于更详细的描述,尹立的这篇文章讲得非常好:WebSocket(2)–为什么引入WebSocket协议

那么,WebSocket 到底与 HTTP 协议到底是一个什么样的关系呢?它和 Socket 又有什么联系?这就要讲到 OSI 模型和 TCP/IP 协议族。

2. OSI 模型与 TCP/IP

以下是 维基百科 中关于OSI 模型的说明:

开放式系统互联通信参考模型(英语:Open System Interconnection Reference Model,ISO/IEC 7498-1),简称为OSI模型(OSI model),一种概念模型,由国际标准化组织(ISO)提出,一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架。

而 TCP/IP 协议可以看做是对 OSI 模型的一种简化(以下内容来自 维基百科):

它将软件通信过程抽象化为四个抽象层,采取协议堆叠的方式,分别实作出不同通信协议。协议套组下的各种协议,依其功能不同,被分别归属到这四个阶层之中7,常被视为是简化的七层OSI模型。

这里有一张图详细介绍了 TCP/IP 协议族中的各个协议在 OSI模型 中的分布,一图胜千言(下图来自 科来):

TCP/IP 和 OSI 模型

这里是 PDF 版:

  科来网络通讯协议图2016版 (585.6 KiB, 572 hits)

TCP/IP 协议和 OSI 模型的内容,在互联网上有很多。我没有必要再次介绍它们。在这里,我们只需要知道,HTTP、WebSocket 等协议都是处于 OSI 模型的最高层: 应用层 。而 IP 协议工作在网络层(第3层),TCP 协议工作在传输层(第4层)。

至于 OSI 模型的各个层次都有什么系统和它们对应,这里有篇很好的文章可以满足大家的求知欲:OSI七层模型详解

3. WebSocket、HTTP 与 TCP

从上面的图中可以看出,HTTP、WebSocket 等应用层协议,都是基于 TCP 协议来传输数据的。我们可以把这些高级协议理解成对 TCP 的封装。

既然大家都使用 TCP 协议,那么大家的连接和断开,都要遵循 TCP 协议中的三次握手和四次握手 ,只是在连接之后发送的内容不同,或者是断开的时间不同。

更详细内容可阅读:wireshark抓包图解 TCP三次握手/四次挥手详解

对于 WebSocket 来说,它必须依赖 HTTP 协议进行一次握手 ,握手成功后,数据就直接从 TCP 通道传输,与 HTTP 无关了。

4. Socket 与 WebScoket

Socket 其实并不是一个协议。它工作在 OSI 模型会话层(第5层),是为了方便大家直接使用更底层协议(一般是 TCPUDP )而存在的一个抽象层。

最早的一套 Socket API 是 Berkeley sockets ,采用 C 语言实现。它是 Socket 的事实标准,POSIX sockets 是基于它构建的,多种编程语言都遵循这套 API,在 JAVA、Python 中都能看到这套 API 的影子。

下面摘录一段更容易理解的文字(来自 http和socket之长连接和短连接区别):

Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层,它是一组接口。在设计模式中,Socket其实就是一个门面模式,它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面,对用户来说,一组简单的接口就是全部,让Socket去组织数据,以符合指定的协议。

Socket是什么

Socket通信过程

主机 A 的应用程序要能和主机 B 的应用程序通信,必须通过 Socket 建立连接,而建立 Socket 连接必须需要底层 TCP/IP 协议来建立 TCP 连接。建立 TCP 连接需要底层 IP 协议来寻址网络中的主机。我们知道网络层使用的 IP 协议可以帮助我们根据 IP 地址来找到目标主机,但是一台主机上可能运行着多个应用程序,如何才能与指定的应用程序通信就要通过 TCP 或 UPD 的地址也就是端口号来指定。这样就可以通过一个 Socket 实例唯一代表一个主机上的一个应用程序的通信链路了。

WebSocket 则不同,它是一个完整的 应用层协议,包含一套标准的 API

所以,从使用上来说,WebSocket 更易用,而 Socket 更灵活。

5. HTML5 与 WebSocket

WebSocket APIHTML5 标准的一部分, 但这并不代表 WebSocket 一定要用在 HTML 中,或者只能在基于浏览器的应用程序中使用。

实际上,许多语言、框架和服务器都提供了 WebSocket 支持,例如: