参考 RFC 6455: The WebSocket Protocol
WebSocket 协议基础
- 协议本质：在单个 TCP 连接上提供全双工通信通道的协议
- 核心优势：
- 双向实时通信（服务器主动推送）
- 低延迟（相比 HTTP 轮询）
- 高效数据传输（减少 HTTP 头部开销）
- 协议握手：
# 来自客户端的握手数据
GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13
- Connection：设置 Upgrade，表示客户端希望连接升级
- Upgrade：设置 websocket，表示希望升级到 Websocket 协议
- Sec-WebSocket-Key：客户端发送的一个 base64 编码的密文，用于简单的认证秘钥。要求服务端必须返回一个对应加密的 Sec-WebSocket-Accept 应答，否则客户端会抛出错误，并关闭连接
- Sec-WebSocket-Protocol：子协议选择, 标识客户端支持的协议
- Sec-WebSocket-Version ：表示支持的 Websocket 版本
- Sec-WebSocket-Extensions：户端期望使用的协议级别的扩展
# 服务端的握手响应
HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
Sec-WebSocket-Protocol: chat
- HTTP/1.1 101 Switching Protocols：表示服务端接受 WebSocket 协议的客户端连接
- Sec-WebSocket-Accept：验证客户端请求报文，同样也是为了防止误连接。具体做法是把请求头里 Sec-WebSocket-Key 的值，加上一个专用的 UUID，再计算摘要
- 结束握手：任何一端都可以发送一个包含特定关闭握手的控制帧数据。收到此帧后，另一端在不发送任何数据后会发送一个结束帧作为响应。收到另一端的结束帧后，最开始发送控制帧的端在没有数据需要发送时，就会安全的关闭此连接。在发送了一个表明连接需要被关闭的控制帧后，这个客户端不会再发送任何的数据；在收到一个表明连接需要被关闭的控制帧后，这个客户端会丢弃此后的所有数据。
WebSocket 帧结构
在 WebSocket 协议中，数据是通过一系列数据帧来进行传输的。为了避免安全问题，客户端必须在它发送到服务器的所有帧中添加掩码（Mask），服务端收到没有添加掩码的数据帧以后，必须立即关闭连接。另外服务端禁止在发送数据帧给客户端时添加掩码，客户端如果收到了一个添加了掩码的帧，必须立即关闭连接。
0 1 2 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1+-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+|F|R|R|R| opcode|M| Payload len | Extended payload length ||I|S|S|S| (4) |A| (7) | (16/64) ||N|V|V|V| |S| | (if payload len==126/127) || |1|2|3| |K| | |+-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +| Extended payload length continued, if payload len == 127 |+ - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+| |Masking-key, if MASK set to 1 |+-------------------------------+-------------------------------+| Masking-key (continued) | Payload Data |+-------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - +: Payload Data continued ... :+ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +| Payload Data continued ... |+---------------------------------------------------------------+
基础帧头
| 位偏移 | 字段名称 | 长度 | 详细说明 |
|---|---|---|---|
| 0 | FIN | 1 bit | 标识是否为消息的最后一帧（1=最终帧，0=还有后续帧） |
| 1-3 | RSV1, RSV2, RSV3 | 各1 bit | 保留位，必须为0（除非扩展协议定义特殊用途） |
| 4-7 | Opcode | 4 bits | 帧类型标识： 0x0=连续帧；0x1=文本帧；0x2=二进制帧；0x8=关闭帧； 0x9=PING；0xA=PONG |
| 8 | Mask | 1 bit | 是否使用掩码（客户端到服务器必须设为1） |
| 9-15 | Payload Length | 7 bits | 数据长度（实际值分三种情况）： 0-125：实际长度；126：后续2字节表示长度；127：后续8字节表示长度 |
Opcode类型表
| Hex | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| 0x0 | Continuation | 连续帧（分片消息） |
| 0x1 | Text | UTF-8文本数据 |
| 0x2 | Binary | 二进制数据 |
| 0x8 | Close | 连接关闭指令 |
| 0x9 | Ping | 心跳检测请求 |
| 0xA | Pong | 心跳检测响应 |
长度解码规则
| Payload Length值 | 后续字节数 | 实际长度范围 |
|---|---|---|
| 0-125 | 0 | 0-125字节 |
| 126 | 2 | 126-65,535字节 |
| 127 | 8 | 65,536-2^64-1字节 |
控制帧特殊说明
所有的控制帧必须有一个 126 字节或者更小的负载长度，并且不能被分片
-
Close帧（0x8）：
- 前2字节：状态码（如1000表示正常关闭）
- 可选 UTF-8 原因短语
-
Ping/Pong 帧（0x9/0xA）：
- 必须实现心跳应答机制
- Pong 的 Payload 需与对应 Ping 一致
示例帧解析
Hello 文本帧原始字节（Hex）：
81 85 37 FA 21 3D 7F 9F 4D 51 58
解析结果：
- 81 → FIN=1, Opcode=0x1（文本帧）
- 85 → Mask=1, Payload Length=5
- 37 FA 21 3D → 掩码密钥
- 7F 9F 4D 51 58 → 加密后的 “Hello”
前端 WebSocket 高可用框架设计
暂时没有设计日志和统计系统，项目地址 websocket-pro-client
组件关系图
- WebSocketManager：入口类，管理所有连接实例和共享资源
- WebSocketClient：单个连接实例，处理连接生命周期和消息收发
- Heartbeat：心跳检测管理，维护连接活性
- TaskScheduler：任务调度器，控制并发消息发送
- PriorityQueue：优先级队列，确保高优先级消息优先处理
- EventEmitter：事件中心，统一处理所有连接事件
分层架构设计
架构说明
-
用户层
- UI Components：业务组件，通过标准API与核心层交互
- 事件流：通过EventEmitter实现松耦合通信
-
核心层
- WebSocketManager：单例入口
- Connection Pool：连接池维护策略：
- 最大连接数限制（默认5个）
- LRU(最近最少使用)淘汰机制
- 相同URL自动复用连接
-
网络层
- 封装原生WebSocket API，增加：
- 自动重连装饰器
- 二进制数据分片处理
- CORS安全校验
- 封装原生WebSocket API，增加：
数据流转过程
详细设计说明
连接管理
连接状态机:
连接池实现:
class WebSocketManager {private connectionPool: Map<string, WebSocketClient>;// 获取或创建连接public connect(url: string): WebSocketClient {if (this.connectionPool.has(url)) {return this.connectionPool.get(url)!; // 复用现有连接}const client = new WebSocketClient(url, this.config);this.connectionPool.set(url, client);return client;}// 关闭所有连接public closeAll(): void {this.connectionPool.forEach(client => client.close());}
}
连接池 vs 单连接
- 优点：避免重复握手开销，支持多租户隔离
- 缺点：增加内存占用，需要维护状态一致性
错误处理体系
| 错误类型 | 处理方式 |
|---|---|
| 连接错误 | 自动触发重连机制，累计重试次数 |
| 心跳超时 | 主动关闭连接并标记为异常断开，触发快速重连 |
| 消息发送失败 | 根据优先级存入队列，连接恢复后自动重发 |
| 协议错误 | 关闭连接并触发error事件，不自动重连 |
错误捕获示例
// 网络层错误捕获
socket.addEventListener('error', (event) => {this.status = 'disconnected';this.emit('error', {type: 'network',error: event,willReconnect: this.reconnectAttempts < this.config.maxReconnectAttempts});this.scheduleReconnect();
});// 应用层错误处理
public send(data: any): Promise<void> {return new Promise((resolve, reject) => {if (this.status !== 'connected') {reject(new Error('Connection not ready'));return;}try {this.socket.send(data);resolve();} catch (error) {this.emit('error', {type: 'send',error,data});reject(error);}});
}
智能重连机制
重连算法流程:
核心代码：
private scheduleReconnect(): void {// 1. 检查重试上限if (this.reconnectAttempts >= this.config.maxReconnectAttempts) {this.emit('reconnect_failed', {attempts: this.reconnectAttempts,maxAttempts: this.config.maxReconnectAttempts});return;}// 2. 指数退避计算const baseDelay = this.config.reconnectDelay;const exponent = Math.pow(this.config.reconnectExponent, this.reconnectAttempts);const cappedDelay = Math.min(baseDelay * exponent,this.config.maxReconnectDelay);// 3. 添加随机抖动（避免集群同时重连的"惊群效应"）const jitterRatio = 0.2; // ±20%的随机波动const jitter = cappedDelay * jitterRatio * (Math.random() * 2 - 1); // [-0.2,0.2]范围const actualDelay = Math.max(1000, cappedDelay + jitter); // 保证至少1秒// 4. 设置定时器this.reconnectTimer = setTimeout(() => {this.reconnectAttempts++;this.emit('reconnect', {attempt: this.reconnectAttempts,nextDelay: actualDelay});// 5. 实际重连操作this.connect()}, actualDelay);
}
指数退避公式
每次重试间隔 = min(初始延迟 * (退避系数^重试次数), 最大延迟)
# 初始值
initialDelay = 1000ms,
exponent = 1.5,
maxDelay = 30000ms# 重试间隔增长示例：
第1次: 1000ms
第2次: 1500ms (1000*1.5^1)
第3次: 2250ms (1000*1.5^2)
...
第10次: 30000ms (达到上限)
另外可添加服务端过载保护：
if (this.reconnectAttempts > 3) {// 随机跳过1次重试if (Math.random() < 0.3) {this.reconnectAttempts++;this.scheduleReconnect();return;}
}
心跳检测系统
核心代码：
class Heartbeat {private lastPong: number = 0;public start(): void {this.intervalId = setInterval(() => {if (this.socket.readyState === WebSocket.OPEN) {this.socket.send('ping');this.timeoutId = setTimeout(() => {this.onTimeout(); // 心跳超时处理}, this.timeout);}}, this.interval);}public recordPong(): void {this.lastPong = Date.now();clearTimeout(this.timeoutId);this.emit('latency', Date.now() - this.lastPong);}
}
消息调度系统
优先级队列设计:
| 优先级 | 消息类型 | 默认权重 |
|---|---|---|
| 0 | 系统控制消息（如心跳） | 最高 |
| 1 | 用户关键操作 | 高 |
| 2 | 普通数据更新 | 中 |
| 3 | 批量日志/非实时数据 | 低 |
优先级调度策略：
- 严格优先级，适用于金融交易系统等
- 加权轮询，适用于物联网数据采集等
- 动态调整，适用于视频流传输等
调度器核心代码：
interface Task {task: () => Promise<void>;priority: number;
}class PriorityQueue {private items: Task[] = [];public enqueue(task: Task): void {let added = false;for (let i = 0; i < this.items.length; i++) {if (task.priority > this.items[i].priority) {this.items.splice(i, 0, task);added = true;break;}}if (!added) {this.items.push(task);}}public dequeue(): Task | undefined {return this.items.shift();}public get length(): number {return this.items.length;}
}
class TaskScheduler {public addTask(task: () => Promise<void>, priority: number): Promise<void> {return new Promise((resolve, reject) => {this.queue.enqueue({task: async () => {try {await task();resolve();} catch (error) {reject(error);}},priority});this.run();});}private run(): void {while (this.runningTasks < this.maxConcurrent && this.queue.length > 0) {const { task } = this.queue.dequeue()!;this.runningTasks++;task().finally(() => {this.runningTasks--;this.run(); // 递归执行下一个任务});}}
}
性能优化策略
- 使用ArrayBuffer传输图像数据
- 消息压缩
- 带宽自适应(自动适应从2G到5G的网络环境，基于网络类型调整策略，如心跳间隔，最大连接数等)
总结
WebSocket 是一种网络传输协议，位于 OSI 模型的应用层。可在单个 TCP 连接上进行全双工通信，能更好的节省服务器资源和带宽并达到实时通迅。客户端和服务器只需要完成一次握手，两者之间就可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。
特点
- 全双工，通信允许数据在两个方向上同时传输，它在能力上相当于两个单工通信方式的结合
- 二进制帧，采用了二进制帧结构，语法、语义与 HTTP 完全不兼容，相比
http/2，WebSocket 更侧重于“实时通信”，而http/2更侧重于提高传输效率，所以两者的帧结构也有很大的区别。不像http/2那样定义流，也就不存在多路复用、优先级等特性，自身就是全双工，也不需要服务器推送 - 协议名，引入
ws和wss分别代表明文和密文的 WebSocket 协议，且默认端口使用 80 或 443，几乎与http一致 - 握手，WebSocket 也要有一个握手过程，然后才能正式收发数据。
优点
- 较少的控制开销：数据包头部协议较小，不同于
http每次请求需要携带完整的头部 - 更强的实时性：相对于
http请求需要等待客户端发起请求服务端才能响应，延迟明显更少 - 保持创连接状态：创建通信后，可省略状态信息，不同于
http每次请求需要携带身份验证 - 更好的二进制支持：定义了二进制帧，更好处理二进制内容
- 支持扩展：用户可以扩展 WebSocket 协议、实现部分自定义的子协议
- 更好的压缩效果：WebSocket 在适当的扩展支持下，可以沿用之前内容的上下文，在传递类似的数据时，可以显著地提高压缩率
)
