WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议，允许客户端和服务器之间进行双向实时数据传输。下面从多个方面详细说明其原理和工作机制：

1. 建立连接（握手阶段）#

WebSocket连接通过HTTP协议发起，然后升级为WebSocket协议。

1.1 客户端发起握手请求#

客户端发送一个HTTP请求，包含以下关键头部：

1
GET /chat HTTP/1.1
2
Host: server.example.com
3
Upgrade: websocket
4
Connection: Upgrade
5
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==  // 随机16字节Base64编码
6
Sec-WebSocket-Version: 13
7
Origin: http://example.com

1.2 服务器响应握手#

服务器验证请求后返回：

1
HTTP/1.1 101 Switching Protocols
2
Upgrade: websocket
3
Connection: Upgrade
4
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=  // 密钥验证

状态码101表示协议切换成功。
Sec-WebSocket-Accept是根据客户端密钥计算得出的（base64(sha1(Sec-WebSocket-Key + "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"))）。

1.3 连接升级#

握手完成后，TCP连接保持打开状态，但通信协议从HTTP切换为WebSocket帧格式。

2. 数据传输机制#

连接建立后，所有数据通过帧（Frame） 的形式传输。

2.1 数据帧结构#

1
 0                   1                   2                   3
2
 0 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
3
+-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
4
|F|R|R|R| opcode|M| Payload len |    Extended payload length    |
5
|I|S|S|S|  (4)  |A|     (7)     |             (16/64)           |
6
|N|V|V|V|       |S|             |   (if payload len==126/127)   |
7
| |1|2|3|       |K|             |                               |
8
+-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +
9
|     Extended payload length continued, if payload len == 127  |
10
+ - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+
11
|                     Payload Data continued ...                |
12
+---------------------------------------------------------------+

FIN：标志是否为消息的最后一帧。
Opcode：帧类型（1=文本，2=二进制，8=关闭连接，9=Ping，10=Pong）。
Mask：客户端到服务器的帧必须掩码处理（安全原因）。
Payload length：数据长度（扩展长度支持大消息）。

2.2. 掩码机制#

客户端发送的帧使用4字节掩码（Masking-key）对Payload Data进行XOR加密。
服务器发送的帧无需掩码。
目的：防止缓存污染攻击。

2.3 消息分片#

大消息可拆分为多个帧（FIN=0表示未完，FIN=1表示结束）。
控制帧（如Ping/Pong）不能分片。

2.4 心跳保活#

Ping帧（opcode=9）：服务器/客户端可发送，携带可选数据。
Pong帧（opcode=10）：必须回复相同数据。
作用：检测连接活性、维持NAT映射。

3. 断开连接#

3.1 关闭握手#

任一方发送关闭帧（opcode=8）：

可包含关闭原因（状态码+字符串）。
接收方必须回复关闭帧。
状态码示例：
- 1000：正常关闭
- 1001：端点离开
- 1002：协议错误

3. TCP连接释放#

双方完成关闭帧交换后，底层TCP连接才真正关闭。

4. 关键特性#

低延迟：无需HTTP头部开销，帧结构轻量。
全双工：独立双向通信通道。
基于TCP：依赖TCP的可靠性，但自身提供轻量协议层。
支持扩展：如permessage-deflate压缩扩展。

5. 与HTTP对比#

特性	HTTP	WebSocket
通信模式	半双工（请求-响应）	全双工
头部开销	每次请求携带完整头部	初始握手后仅帧头
连接生命周期	短连接（默认）	长连接
数据推送	需轮询/SSE	服务器可主动推送

6. 安全机制#

同源策略：通过Origin头部防止跨站劫持。
掩码加密：客户端帧掩码防止恶意脚本。
TLS支持：wss://使用TLS加密传输。

7. 典型应用场景#

实时聊天/协作工具
在线游戏
股票行情推送
物联网设备控制

通过以上机制，WebSocket在保持TCP可靠性的同时，实现了低开销、低延迟的双向实时通信，成为现代Web应用实时交互的核心技术之一。