HTTP、TCP与UDP、Socket与Websocket之间的联系与区别

TCP/IP协议栈主要分为四层:应用层、传输层、网络层、数据链路层,
每层都有相应的协议，如下图

概念理解：

• IP：网络层协议；（高速公路）
• TCP和UDP：传输层协议；（卡车）
• TCP/IP：代表传输控制协议/网际协议，指的是一系列协议，TCP/IP 模型在 OSI 模型的基础上进行了简化，变成了四层，从下到上分别为：网络接口层、网络层、传输层、应用层。
• SOCKET：套接字，TCP/IP网络的API。(港口码头/车站)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。socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。
• HTTP：应用层协议；（货物）。HTTP(超文本传输协议)是利用TCP在两台电脑(通常是Web服务器和客户端)之间传输信息的协议。客户端使用Web浏览器发起HTTP请求给Web服务器，Web服务器发送被请求的信息给客户端。
• WebSocket：WebSocket protocol 是HTML5一种新的协议。它实现了浏览器与服务器全双工通信(full-duplex)。一开始的握手需要借助HTTP请求完成。
  WebSokcet目的：即时通讯，替代轮询。
  网站上的即时通讯是很常见的，比如网页的QQ，聊天系统等。按照以往的技术能力通常是采用轮询、Comet技术解决。
  HTTP协议是非持久化的，单向的网络协议，在建立连接后只允许浏览器向服务器发出请求后，服务器才能返回相应的数据。当需要即时通讯时，通过轮询在特定的时间间隔（如1秒），由浏览器向服务器发送Request请求，然后将最新的数据返回给浏览器。这样的方法最明显的缺点就是需要不断的发送请求，而且通常HTTP request的Header是非常长的，为了传输一个很小的数据 需要付出巨大的代价，是很不合算的，占用了很多的宽带。
  缺点：会导致过多不必要的请求，浪费流量和服务器资源，每一次请求、应答，都浪费了一定流量在相同的头部信息上。
  然而WebSocket的出现可以弥补这一缺点。在WebSocket中，只需要服务器和浏览器通过HTTP协议进行一个握手的动作，然后单独建立一条TCP的通信通道进行数据的传送。

注:什么是单工、半双工、全工通信？ 信息只能单向传送为单工； 信息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工；
信息能够同时双向传送则称为全双工。

概念联系与区别：

• TCP与UDP：_TCP_，传输控制协议，Transmission Control Protocol）：(类似打电话) 面向连接、传输可靠（保证数据正确性）、有序（保证数据顺序）、传输大量数据（流模式）、速度慢、对系统资源的要求多，程序结构较复杂，每一条TCP连接只能是点到点的，TCP首部开销20字节。 _UDP_，(用户数据报协议，User Data Protocol)：（类似发短信）面向非连接 、传输不可靠（可能丢包）、无序、传输少量数据（数据报模式）、速度快，对系统资源的要求少，程序结构较简单 ， UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信， UDP的首部开销小，只有8个字节。

tcp三次握手建立连接：
第一次握手：客户端发送syn包(seq=x)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=x+1），同时自己也发送一个SYN包（seq=y），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=y+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。
握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前，TCP
连接都将被一直保持下去。 主机A向主机B发出连接请求数据包：“我想给你发数据，可以吗？”，这是第一次对话；
主机B向主机A发送同意连接和要求同步（同步就是两台主机一个在发送，一个在接收，协调工作）的数据包：“可以，你什么时候发？”，这是第二次对话；
主机A再发出一个数据包确认主机B的要求同步：“我现在就发，你接着吧！”，这是第三次对话。
三次“对话”的目的是使数据包的发送和接收同步，经过三次“对话”之后，主机A才向主机B正式发送数据。

• HTTP与WebSocket

相同点：1. 都是一样基于TCP的，都是可靠性传输协议。2. 都是应用层协议。
不同点：1. WebSocket是双向通信协议，模拟Socket协议，可以双向发送或接受信息。HTTP是单向的。2. WebSocket是需要握手进行建立连接的。
联系：WebSocket在建立握手时，数据是通过HTTP传输的。但是建立之后，在真正传输时候是不需要HTTP协议的。

传统 HTTP 请求响应客户端服务器交互图:

WebSocket 请求响应客户端服务器交互图:

上图对比可以看出，相对于传统 HTTP 每次请求-应答都需要客户端与服务端建立连接的模式，WebSocket 是类似 Socket 的 TCP 长连接的通讯模式，一旦 WebSocket 连接建立后，后续数据都以帧序列的形式传输。在客户端断开 WebSocket 连接或 Server 端断掉连接前，不需要客户端和服务端重新发起连接请求。在海量并发及客户端与服务器交互负载流量大的情况下，极大的节省了网络带宽资源的消耗，有明显的性能优势，且客户端发送和接受消息是在同一个持久连接上发起，实时性优势明显。

我们再通过客户端和服务端交互的报文看一下 WebSocket 通讯与传统 HTTP 的不同：
在客户端，new WebSocket 实例化一个新的 WebSocket 客户端对象，连接类似 ws://yourdomain:port/path 的服务端 WebSocket URL，WebSocket 客户端对象会自动解析并识别为 WebSocket 请求，从而连接服务端端口，执行双方握手过程，客户端发送数据格式类似：
1、 WebSocket 客户端连接报文:

`GET /webfin/websocket/ HTTP/1.1
Host: localhost
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: xqBt3ImNzJbYqRINxEFlkg==
Origin: 
http://localhost
:8080
Sec-WebSocket-Version: 13`

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可以看到，客户端发起的 WebSocket 连接报文类似传统 HTTP 报文，”Upgrade：websocket”参数值表明这是 WebSocket 类型请求，“Sec-WebSocket-Key”是 WebSocket 客户端发送的一个 base64 编码的密文，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“Error during WebSocket handshake”错误，并关闭连接。

2、WebSocket 服务端响应报文:

`HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: K7DJLdLooIwIG/MOpvWFB3y3FE8=`

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“Sec-WebSocket-Accept”的值是服务端采用与客户端一致的密钥计算出来后返回客户端的,“HTTP/1.1 101 Switching Protocols”表示服务端接受 WebSocket 协议的客户端连接，经过这样的请求-响应处理后，客户端服务端的 WebSocket 连接握手成功, 后续就可以进行 TCP 通讯了。

在开发方面，WebSocket API 也十分简单，我们只需要实例化 WebSocket，创建连接，然后服务端和客户端就可以相互发送和响应消息。

• WebSocket与Socket

Socket是传输控制层接口，WebSocket是应用层协议。

可以把WebSocket想象成HTTP(应用层)，HTTP和Socket什么关系，WebSocket和Socket就是什么关系。
当两台主机通信时，必须通过Socket连接，Socket则利用TCP/IP协议建立TCP连接。TCP连接则更依靠于底层的IP协议，IP协议的连接则依赖于链路层等更低层次。
WebSocket就像HTTP一样，则是一个典型的应用层协议。