WebSocket与HTTP：实时通信的两大协议对比
WebSocket 与 HTTP 的基本概念
HTTP 协议概述
HTTP（Hyper - Text Transfer Protocol）即超文本传输协议，是用于在 Web 上进行数据传输的基础协议。它是一种无状态协议，这意味着每次客户端向服务器发起请求时，服务器并不知道客户端之前的请求信息。
HTTP 基于请求 - 响应模型工作。客户端（通常是浏览器）发送一个 HTTP 请求，请求包含请求行、请求头和请求体（对于 GET 请求，请求体通常为空）。例如，一个简单的 GET 请求：
GET /index.html HTTP/1.1
Host: example.com
User - Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/91.0.4472.124 Safari/537.36
服务器接收到请求后，根据请求的内容进行处理，并返回一个 HTTP 响应。响应同样包含状态行、响应头和响应体。例如：
HTTP/1.1 200 OK
Content - Type: text/html
Content - Length: 1234
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Example Page</title>
</head>
<body>
<h1>Hello, World!</h1>
</body>
</html>
HTTP 协议有多个版本，如 HTTP/1.0、HTTP/1.1、HTTP/2 和 HTTP/3。不同版本在性能、功能等方面有所改进。例如，HTTP/2 引入了多路复用、头部压缩等特性，提高了传输效率；HTTP/3 则基于 UDP 协议，进一步优化了传输性能，减少了连接建立时间和延迟。
WebSocket 协议概述
WebSocket 是一种在单个 TCP 连接上进行全双工通信的协议。它使得客户端和服务器之间可以实时地双向传输数据，打破了 HTTP 的请求 - 响应模式的限制。
WebSocket 协议的握手过程基于 HTTP 协议。客户端通过发送一个特殊的 HTTP 请求来发起 WebSocket 连接，请求头中包含 Upgrade 字段，表明要将连接升级为 WebSocket 协议。例如：
GET /ws HTTP/1.1
Host: example.com
Connection: Upgrade
Upgrade: websocket
Sec - WebSocket - Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Sec - WebSocket - Version: 13
服务器如果支持 WebSocket 协议，会返回一个响应，确认连接升级成功：
HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Connection: Upgrade
Upgrade: websocket
Sec - WebSocket - Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
一旦握手成功，客户端和服务器之间就建立了一个持久的、全双工的通信通道，可以随时互相发送数据。WebSocket 数据帧格式相对复杂，包含操作码、掩码等字段，用于标识数据类型、确保数据安全等。
通信模式的对比
HTTP 的请求 - 响应模式
HTTP 的请求 - 响应模式是其核心特点。在这种模式下，客户端发起请求，服务器处理请求并返回响应。每个请求和响应都是独立的，这使得服务器可以处理多个并发请求，并且每个请求的处理逻辑相对简单。
然而，这种模式在实时通信场景下存在明显的局限性。例如，在一个实时聊天应用中，如果使用 HTTP 协议，客户端需要不断地轮询服务器以获取新消息。轮询是指客户端按照一定的时间间隔向服务器发送请求，询问是否有新数据。假设每 5 秒轮询一次，如果在这 5 秒内有新消息到达，客户端无法立即得知，必须等到下一次轮询。而且频繁的轮询会增加服务器的负担，浪费网络资源。
以下是一个简单的使用 Python Flask 框架实现的 HTTP 轮询示例：
from flask import Flask, jsonify
import time
app = Flask(__name__)
messages = []
@app.route('/messages', methods=['GET'])
def get_messages():
time.sleep(1) # 模拟一些处理时间
return jsonify(messages)
if __name__ == '__main__':
app.run(debug=True)
在客户端，可以使用 JavaScript 的 setInterval 函数进行轮询：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF - 8">
<title>HTTP Polling Example</title>
</head>
<body>
<div id="messages"></div>
<script>
function getMessages() {
fetch('/messages')
.then(response => response.json())
.then(data => {
const messagesDiv = document.getElementById('messages');
messagesDiv.innerHTML = '';
data.forEach(message => {
const p = document.createElement('p');
p.textContent = message;
messagesDiv.appendChild(p);
});
});
}
setInterval(getMessages, 5000);
</script>
</body>
</html>
WebSocket 的全双工通信模式
WebSocket 的全双工通信模式允许客户端和服务器在同一个连接上同时进行双向通信。一旦连接建立，双方都可以主动发送数据，无需等待对方的请求。
在实时聊天应用中，使用 WebSocket 时，当服务器收到新消息，它可以立即将消息推送给所有连接的客户端。客户端也可以随时向服务器发送新消息。这种实时性是 HTTP 请求 - 响应模式难以企及的。
以下是一个使用 Python 的 websockets 库实现的 WebSocket 聊天示例：
import asyncio
import websockets
connected_clients = set()
async def chat_handler(websocket, path):
connected_clients.add(websocket)
try:
while True:
message = await websocket.recv()
for client in connected_clients:
if client!= websocket:
await client.send(message)
except websockets.exceptions.ConnectionClosedOK:
pass
finally:
connected_clients.remove(websocket)
start_server = websockets.serve(chat_handler, "localhost", 8765)
asyncio.get_event_loop().run_until_complete(start_server)
asyncio.get_event_loop().run_forever()
在客户端，可以使用 JavaScript 的 WebSocket 对象：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF - 8">
<title>WebSocket Chat Example</title>
</head>
<body>
<input type="text" id="messageInput">
<button onclick="sendMessage()">Send</button>
<div id="messages"></div>
<script>
const socket = new WebSocket('ws://localhost:8765');
socket.onopen = function () {
console.log('Connected to the server');
};
socket.onmessage = function (event) {
const messagesDiv = document.getElementById('messages');
const p = document.createElement('p');
p.textContent = event.data;
messagesDiv.appendChild(p);
};
function sendMessage() {
const messageInput = document.getElementById('messageInput');
const message = messageInput.value;
socket.send(message);
messageInput.value = '';
}
</script>
</body>
</html>
从上述代码示例可以明显看出，WebSocket 在实时通信方面的简洁性和高效性。
连接特性对比
HTTP 的短连接与长连接
在 HTTP/1.0 中，默认使用短连接。每次请求 - 响应完成后，连接就会关闭。这意味着如果客户端需要再次发送请求，就需要重新建立 TCP 连接。建立 TCP 连接需要经过三次握手过程，这会引入额外的延迟。例如，在一个包含多个资源（如 HTML、CSS、JavaScript 文件）的网页加载过程中，如果使用 HTTP/1.0 短连接，每个资源的请求都需要重新建立连接，大大增加了加载时间。
为了减少连接建立的开销，HTTP/1.1 引入了长连接（也称为持久连接）。在长连接模式下，客户端和服务器在完成一次请求 - 响应后，连接不会立即关闭，而是可以继续用于后续的请求。这样，对于同一个服务器的多个请求，可以复用同一个 TCP 连接，减少了连接建立和关闭的开销，提高了性能。例如，在加载一个包含多个图片的网页时，使用 HTTP/1.1 长连接，图片资源可以通过同一个连接依次请求，而不需要为每个图片重新建立连接。
但是，即使是 HTTP/1.1 的长连接，仍然是基于请求 - 响应模式的，在没有请求的情况下，连接处于空闲状态，服务器不能主动向客户端推送数据。
WebSocket 的持久连接
WebSocket 建立的是持久连接。一旦 WebSocket 握手成功，连接会一直保持，除非其中一方主动关闭连接。这种持久连接使得客户端和服务器之间可以随时进行数据传输，非常适合实时通信场景。
例如，在股票交易系统中，服务器可以实时将股票价格变化推送给客户端，客户端也可以随时向服务器发送交易指令。由于 WebSocket 的持久连接特性，数据可以及时、高效地传输，而不需要像 HTTP 那样频繁地建立和关闭连接。
WebSocket 连接在底层通过 TCP 协议实现，它利用 TCP 的可靠性保证数据的有序传输和完整性。并且，WebSocket 协议自身也定义了一套机制来处理连接的关闭、错误等情况，确保连接的稳定性。例如，当一方想要关闭连接时，会发送一个包含关闭码和关闭原因的关闭帧，另一方收到后会进行相应的处理，优雅地关闭连接。
数据传输特性对比
HTTP 的数据格式与传输
HTTP 协议主要用于传输文本数据，特别是超文本（HTML）。它支持多种数据格式，常见的有 text/html、application/json、application/xml 等。数据在 HTTP 请求和响应中通过请求体和响应体进行传输。
对于 text/html 格式，数据以 HTML 标签和文本的形式组织，浏览器可以直接解析和渲染。例如：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Example</title>
</head>
<body>
<h1>Welcome to my page</h1>
<p>This is some content.</p>
</body>
</html>
当使用 application/json 格式时，数据以 JSON 字符串的形式传输，这种格式在前后端数据交互中非常常见，因为它易于解析和生成。例如：
{
"name": "John",
"age": 30,
"city": "New York"
}
HTTP 传输数据时，通常会在请求头和响应头中包含一些元信息，如 Content - Type 字段用于指定数据格式，Content - Length 字段用于指定数据长度等。
然而，HTTP 在传输二进制数据时存在一些不便。虽然可以通过 application/octet - stream 类型来传输二进制数据，但这种方式相对复杂，并且浏览器对其处理能力有限。
WebSocket 的数据格式与传输
WebSocket 支持传输文本和二进制数据。WebSocket 数据帧格式包含操作码，用于标识数据类型。例如，操作码 0x1 表示文本数据，操作码 0x2 表示二进制数据。
在传输文本数据时，WebSocket 可以像 HTTP 一样传输 JSON 等文本格式的数据。例如，在一个实时游戏中，客户端和服务器之间可以通过 WebSocket 发送 JSON 格式的游戏状态数据：
{
"player1": {
"x": 100,
"y": 200,
"score": 50
},
"player2": {
"x": 150,
"y": 250,
"score": 40
}
}
对于二进制数据传输，WebSocket 提供了更直接和高效的方式。例如，在视频流传输场景中，视频数据可以以二进制格式直接通过 WebSocket 发送。这对于实时性要求较高的多媒体应用非常重要，因为它避免了将二进制数据转换为文本格式带来的开销和潜在的数据损失。
WebSocket 数据帧还包含掩码字段，用于保证数据传输的安全性。在客户端向服务器发送数据时，数据会被掩码处理，服务器接收到数据后需要进行相应的解掩码操作。
安全性对比
HTTP 的安全性
HTTP 协议本身是明文传输的，这意味着在数据传输过程中，数据内容可以被轻易地截获和篡改。例如，在公共无线网络环境中，攻击者可以使用网络嗅探工具捕获 HTTP 请求和响应，获取其中的敏感信息，如用户名、密码等。
为了提高 HTTP 的安全性，HTTPS（HTTP over SSL/TLS）协议应运而生。HTTPS 在 HTTP 基础上增加了 SSL/TLS 层，通过加密和认证机制来保护数据传输的安全。在 HTTPS 连接中，客户端和服务器之间首先进行 SSL/TLS 握手，协商加密算法和密钥。然后，所有的数据传输都会被加密，即使数据被截获，攻击者也无法直接获取明文内容。
例如，当用户在电商网站上进行支付操作时，使用 HTTPS 可以确保信用卡号、支付密码等敏感信息在传输过程中的安全性。
WebSocket 的安全性
WebSocket 协议本身并没有内置强大的安全机制，但它可以在 HTTPS 上运行。当 WebSocket 运行在 HTTPS 之上时，它可以借助 SSL/TLS 的加密和认证功能来保证数据传输的安全。
在建立 WebSocket 连接时，如果是基于 HTTPS 的，握手过程同样会经过 SSL/TLS 加密。这确保了 WebSocket 握手信息以及后续传输的数据都是加密的，防止中间人攻击。例如，在一个实时金融交易应用中，通过在 HTTPS 上建立 WebSocket 连接，可以保证交易指令、账户信息等敏感数据在传输过程中的安全性。
此外，WebSocket 协议中的掩码机制也在一定程度上增加了数据传输的安全性，防止数据被轻易篡改。但需要注意的是，掩码主要是为了防止早期版本浏览器中的跨站 WebSocket 劫持（CSWSH）攻击，其安全性相对有限，不能替代 SSL/TLS 加密。
应用场景对比
HTTP 的应用场景
- 网页浏览：HTTP 是网页浏览的基础协议。浏览器通过 HTTP 请求获取 HTML、CSS、JavaScript 等资源，然后渲染成网页。例如，当用户在浏览器中输入网址并回车后，浏览器会发送 HTTP GET 请求获取网页的 HTML 内容，再根据 HTML 中的链接和引用，通过 HTTP 请求获取相关的 CSS 和 JavaScript 文件，最终呈现出完整的网页。
- API 接口：许多 Web 应用提供基于 HTTP 的 API 接口，供其他应用程序调用。例如，社交媒体平台提供的 API 允许开发者获取用户信息、发布动态等。这些 API 通常使用 HTTP 的 GET、POST、PUT、DELETE 等方法进行数据的获取和操作，数据格式多为 JSON 或 XML。
- 文件下载：用户可以通过 HTTP 从服务器下载文件，如图片、文档、软件安装包等。服务器通过设置合适的响应头，如
Content - Disposition来指示浏览器如何处理下载的文件，是直接显示还是作为附件下载。
WebSocket 的应用场景
- 实时聊天：无论是即时通讯软件还是网页端的聊天应用，WebSocket 都能提供高效的实时通信。例如，微信网页版、Slack 等应用，通过 WebSocket 实现消息的实时推送和接收，用户可以即时看到对方发送的消息，无需手动刷新页面。
- 实时监控与仪表盘：在工业监控、系统运维等场景中，需要实时获取设备状态、性能指标等数据。例如，数据中心的监控系统可以通过 WebSocket 将服务器的 CPU 使用率、内存占用等实时数据推送到监控仪表盘上，运维人员可以实时查看系统状态，及时发现和处理问题。
- 在线游戏：WebSocket 为在线游戏提供了低延迟的实时通信通道。在多人在线游戏中，玩家的操作、游戏状态的更新等数据可以通过 WebSocket 实时在客户端和服务器之间传输，保证游戏的流畅性和实时性。例如，在一款实时对战的网页游戏中，玩家的移动、攻击等操作可以通过 WebSocket 快速发送到服务器，服务器再将游戏状态同步给所有玩家。