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Socket 与 WebSocket

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, 611 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 TCP 或 UDP ）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。

而 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 API 是 HTML5 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：