WebSocket 是什么原理？为什么可以实现持久连接？

WebSocket 是一种网络通信协议，允许客户端和服务器之间建立一个持久的、双向的通信通道。与传统的 HTTP 协议不同，WebSocket 允许在建立连接之后，客户端和服务器之间可以进行双向实时通信，且无需重新建立连接。

1. WebSocket 的工作原理

建立连接： WebSocket 使用 HTTP 协议的升级机制来建立连接。客户端向服务器发送一个 WebSocket 握手请求（HTTP 请求），例如：

http复制代码GET /chat HTTP/1.1
Host: example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9t3rT74tX8gT0tVwG
Sec-WebSocket-Version: 13

如果服务器支持 WebSocket 协议并接受该请求，服务器会回复一个 101 状态码（切换协议）并建立 WebSocket 连接：

http复制代码HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: n3tJ62Dqa2DjsFTv4Fk7K0rGkTQ=

建立持久连接：在握手完成后，HTTP 连接被“升级”成 WebSocket 连接，WebSocket 使用基于 TCP 的持久连接。此时，客户端和服务器可以开始交换数据。与 HTTP 不同，WebSocket 在连接建立后并不需要每次请求和响应的开销，因此可以实现持久的、低延迟的双向通信。
双向通信：一旦连接建立，客户端和服务器之间就可以互相发送数据，而无需每次都重新发起连接。WebSocket 使用一种轻量级的数据帧格式传输信息，支持文本（如 JSON、XML）和二进制数据（如图像、视频）。这种设计使得 WebSocket 特别适用于实时应用程序，如聊天应用、在线游戏、股票交易系统等。
关闭连接： WebSocket 连接可以通过双方协商或自动关闭。关闭连接时，双方会交换一个关闭帧（Close frame），确保连接被正确终止。

2. 为什么 WebSocket 可以实现持久连接？

WebSocket 之所以能够实现持久连接，主要得益于以下几个因素：

TCP 连接持久性： WebSocket 基于 TCP 协议，而 TCP 是一个面向连接的协议，一旦建立连接，双方可以持续通信，直到一方主动关闭连接。因此，在 WebSocket 连接建立后，客户端和服务器之间的通信可以持续不断地进行。
协议的设计： WebSocket 协议本身是专为持久连接设计的。与 HTTP 请求/响应模型不同，WebSocket 的通信模式是全双工的，这意味着双方都可以在同一连接上同时发送和接收数据，且不需要频繁建立和关闭连接。
轻量级的数据帧： WebSocket 协议的消息是通过数据帧传输的，数据帧非常小且高效，不需要每次通信都传输头部信息，减少了延迟和开销。
1. 帧类型：WebSocket 定义了多种帧类型，包括数据帧（如文本帧、二进制帧）和控制帧（如关闭帧、ping 帧、pong 帧）。数据帧用于传输实际的数据，控制帧用于控制连接的状态和行为。
2. 帧头：帧头包含多个字段，如帧类型、数据长度、掩码等。对于客户端发送的数据帧，需要进行掩码处理，以防止恶意服务器对客户端数据进行嗅探。
3. 帧体：帧体包含实际的数据内容。对于文本帧，数据内容是 UTF-8 编码的文本字符串；对于二进制帧，数据内容是二进制数据。
升级机制： WebSocket 通过 HTTP 协议的升级机制与服务器建立连接，且建立连接之后不再依赖 HTTP，因此能够突破 HTTP 的短连接限制，避免每次交互都重新建立 TCP 连接。
连接关闭机制
- 关闭帧：WebSocket 连接可以通过发送关闭帧来关闭。关闭帧是一个特殊的控制帧，包含一个关闭代码和一个可选的关闭原因说明。关闭代码用于指示关闭的原因，如正常关闭（代码 1000）、协议错误（代码 1002）等。
- 关闭过程：客户端或服务器都可以主动发送关闭帧，另一方收到后会关闭连接。关闭过程是有序的，确保双方都能正确处理连接关闭的情况。例如：
  - 客户端发送关闭帧给服务器。
  - 服务器收到关闭帧后，发送关闭帧给客户端。
  - 客户端收到服务器的关闭帧后，关闭连接。
安全机制
- 加密传输：WebSocket 可以使用 TLS/SSL 加密传输数据，即 WSS（WebSocket Secure）。WSS 在 WebSocket 协议的基础上增加了 SSL/TLS 加密层，确保数据传输的安全性。
- 密钥交换：在握手过程中，客户端和服务器通过 Sec-WebSocket-Key 和 Sec-WebSocket-Accept 头进行密钥交换，确保连接的唯一性和安全性。