浅谈socket和websocket

一、Socket

Socket是什么

当我们打开一个网页，比如www.baidu.com，展示百度的首页。

浏览器是怎么获取到的百度首页的内容展示给用户的？是浏览器跟百度的服务器进行通信，服务器处理用户的请求后，把数据传回来展示给用户。本质上是发起https请求，浏览器是怎么找到服务器的？怎么发送、接收消息？

• 操作系统提供了统一的通信机制：Socket（套接字）。它是用于不同主机之间通信的API，在操作系统的层面上。

Socket和操作系统说：帮我连接对方，帮我发送、接收消息。当我们使用socket进行通信的时候，需要知道IP地址加端口号，IP地址用于唯一标识网络设备，操作系统区不知道把数据发到哪个应用上，端口是区分主机上不同应用的。

通过Socket可以建立一条不同主机，不同应用之间的虚拟数据通道，并且它是点对点（应用对应用的），一个形象的比喻是一条将数据线连接在不同应用的插槽上。它是最底层的工具，数据怎么传，它并不管，只负责连通。

Socket出现之前的问题

我们知道，Socket是操作系统提供的统一的用于网络通信的抽象接口（API）。不同电脑之间通过网络进行接收、发送消息都需要调用Socket。

如果没有Socket，会有什么样的问题？

• 1、打开www.baidu.com时，首先需要连接百度的服务器。如果没有Socket，浏览器并不知道怎么连接。
• 2、当我们写程序时，需要处理怎么跟另一台电脑通信的问题。此时我们不仅仅需要编写代码，还需要处理网络方面的问题：如何把数据发送给另一台电脑？如何发送、接收数据包？
• 3、没有统一的Socket接口，Windows、Linux、MacOS各个操作系统都有一套自己的Socket方法，跨平台开发会变得非常困难。

Socket解决了上述问题：

• 1、Socket通过 IP+端口号 跟其他电脑进行通信。
• 2、Socket提供了统一的编程接口，开发者只需要调用connect、send、recv、bind、listen等方法，就可以完成数据的发送与接收，无需自己处理底层网络细节。
• 3、程序员通过统一的 Socket API 进行网络开发，不同操作系统之间的底层实现差异由操作系统屏蔽，开发者无需关心具体细节。

没有 Socket 这种统一抽象接口，应用层网络开发会极其困难。

二、代码模拟客户端和服务端

服务端

server.py

import socket
# 创建 socket 对象
server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 绑定IP和端口
server.bind(("127.0.0.1", 8888))
# 开始监听（最多3个等待连接的排队队列）
server.listen(3)
print("服务端启动，等待客户端连接...")
# 等待客户端连接
conn, addr = server.accept()
print("客户端已连接：", addr)
while True:
    # 从客户端接收数据，最多1024字节。如果消息超过1024，需要多次recv拼起来
    data = conn.recv(1024)
    if not data:
        break
    msg = data.decode("utf-8")
    print("收到客户端消息：", msg)
    reply = f"服务端收到：{msg}"
    conn.send(reply.encode("utf-8"))
# 关闭连接
conn.close()
server.close()

客户端

client.py

import socket
# 创建 socket
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 连接服务端
client.connect(("127.0.0.1", 8888))
while True:
    msg = input("请输入消息：")
    if msg == "exit":
        break
    client.send(msg.encode("utf-8"))
    data = client.recv(1024)
    print("服务端回复：", data.decode("utf-8"))
client.close()

运行步骤

• 先启动服务端： python 3 server.py
• 输出：服务端启动，等待客户端连接...
• 启动客户端：python 3 client.py
• 输入：hello
• 客户端显示：
  
• 服务端显示：
  

三、WebSocket

WebSocket是什么，解决了什么问题

WebSocket 是应用层协议，运行在TCP（Socket）连接之上，让浏览器和服务器之间建立一条持续连接的双向通道，双方随时可以主动发消息。

我们在网页中点击某个商品时，浏览器主动向服务器发出请求。这种情况下，服务器从来不会主动给客户端发消息。

当我们在网页端打游戏的时候，游戏中的小怪源源不断地输出伤害，角色血量变少。这个时候是怎么做到在用户不做任何操作的情况下，网页能够收到消息进行变更呢？

解决方法有很多，比如HTTP定时轮询，网页的前端代码里会不断定时发送HTTP请求到服务器，服务器收到后响应消息。最常见的应用是扫码登录。

它有两个缺点：

• 1、服务器没有更新数据，客户端持续请求，浪费了很多资源
• 2、如果用户很多，那么即使是只查状态接口，也会给服务器带来很大的压力。
• 3、实时性差，轮询并不是实时推送，而是下次询问才知道。用户会觉得卡顿，有延迟感。

还有一种解决方法是长轮询。HTTP发出请求后，服务器会留出一定的时间做响应，比如3秒，如果规定时间内没响应就是超时。那我们将这个超时时间延长，比如30秒，如果超时，就再进行下一次请求。这样HTTP请求的次数减少了，并且大部分情况下用户都会在30秒内完成登录，用户体验感增强。

以上两种解决方法本质上都是客户端主动进行请求，而不是服务器主动给客户端发消息。扫码登录还可以使用，但是网页游戏就不行了，因为游戏中客户端和服务端都有大量的数据需要互相推送。

HTTP/1.1、HTTP/2、WebSocket都是基于TCP协议的。TCP协议是全双工的，全双工就是双方可以同时接收、发送数据，就像寄信。半双工双方都能发送，但是同时只有一方可以发送数据，就像打电话。
HTTP可以理解为是半双工的，通信必须由客户端发起，服务器被动响应。但是我们需要一个可以同时接收、发送数据的，这个时候就有了一个新的协议：WebSocket，它是基于TCP的全双工应用层协议。

建立WebSocket连接

建立过程：

• 1、用户端和服务器建立建立连接后，先使用HTTP进行一次通信，在HTTP请求头中带上特殊的header头。这一步叫HTTP Upgrade握手。

关键字段：
Connect: Upgrade    // 告诉服务器想把当前 HTTP 连接升级成 WebSocket
Upgrade: websocket  // 表示此次连接用于升级协议

• 2、服务器到后，如果支持 WebSocket，就返回：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols   // 101：同意切换协议
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: xxxxx

• 3、进入长连接通信。双方发送的不是HTTP文本，而是WebSocketFrame（数据帧），可以主动发消息。

底层

实际上底层TCP连接只建立了一次，WebSocket并没有重新建立连接，只是更换了上层协议。

WebSocket和Socket有什么关系呢

我们知道， 不仅仅有Socket，还有WebSocket。那WebSocket和Socket有什么关系呢？

Socket（底层能力）：就像“修路”。不管是运人还是运货，首先要有条路（TCP连接）。而Socket是负责把这条路修通的工具。

WebSocket（上层规则）：就像是路上跑的“高铁”。它是在这条路（Socket/TCP）修好之后，专门制定的一套交通规则（协议）。

Socket是通用的，什么数据都能传。WebSocket是专用的，专门给浏览器用的，为了让网页能够实时收到消息。

四、总结

概念总结

如果用一句话总结：

• Socket 是操作系统提供的“网络通信能力接口”
• WebSocket 是建立在 TCP + Socket 之上的“实时双向通信协议”

Socket 解决的是“怎么连通两台机器”的问题，它更偏底层，是所有网络通信的基础能力；而 WebSocket 解决的是“在网页中如何高效地实时通信”的问题，它更偏应用层，是对 HTTP 交互模式的一种补充。

可以这样理解它们的关系：

Socket 是“底层通道”，WebSocket 是“在通道上制定的一种通信规则”。

“WebSocket和Socket，其实跟雷锋和雷峰塔一样，二者接近毫无关系。”

适用场景总结

• HTTP 请求（短连接）：页面加载、商品查询、表单提交
• 轮询 / 长轮询：扫码登录状态、简单消息刷新
• WebSocket（长连接 + 双向实时通信）：在线游戏、股票行情、弹幕、实时协作（在线文档）