WebSocket的实现原理

WebSocket的实现原理

一、什么是websocket

Websocket是应用层第七层上的一个应用层协议，它必须依赖 HTTP 协议进行一次握手 ，握手成功后，数据就直接从 TCP 通道传输，与 HTTP 无关了。即：websocket分为握手和数据传输阶段，即进行了HTTP握手 + 双工的TCP连接。

下面我们分别来看一下这两个阶段的具体实现原理：

１、握手阶段

客户端发送消息：

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Version: 13

服务端返回消息：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

这里值得注意的是Sec-WebSocket-Accept的计算方法：
base64(hsa1(sec-websocket-key + 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11))
如果这个Sec-WebSocket-Accept计算错误浏览器会提示：Sec-WebSocket-Accept dismatch
如果返回成功，Websocket就会回调onopen事件

２、传输阶段

Websocket的数据传输是frame形式传输的，比如会将一条消息分为几个frame，按照先后顺序传输出去。这样做会有几个好处：

  • a、大数据的传输可以分片传输，不用考虑到数据大小导致的长度标志位不足够的情况。
  • b、和http的chunk一样，可以边生成数据边传递消息，即提高传输效率。

websocket传输使用的协议如下图：

1464250745194141.png

参数说明如下：

  • FIN：1位，用来表明这是一个消息的最后的消息片断，当然第一个消息片断也可能是最后的一个消息片断；

  • RSV1, RSV2, RSV3: 分别都是1位，如果双方之间没有约定自定义协议，那么这几位的值都必须为0,否则必须断掉WebSocket连接；

  • Opcode: 4位操作码，定义有效负载数据，如果收到了一个未知的操作码，连接也必须断掉，以下是定义的操作码：

    *  %x0 表示连续消息片断
*  %x1 表示文本消息片断
*  %x2 表未二进制消息片断
*  %x3-7 为将来的非控制消息片断保留的操作码
*  %x8 表示连接关闭
*  %x9 表示心跳检查的ping
*  %xA 表示心跳检查的pong
*  %xB-F 为将来的控制消息片断的保留操作码

  • Mask: 1位，定义传输的数据是否有加掩码,如果设置为1,掩码键必须放在masking-key区域，客户端发送给服务端的所有消息，此位的值都是1；

  • Payload length: 传输数据的长度，以字节的形式表示：7位、7+16位、或者7+64位。如果这个值以字节表示是0-125这个范围，那这个值就表示传输数据的长度；如果这个值是126，则随后的两个字节表示的是一个16进制无符号数，用来表示传输数据的长度；如果这个值是127,则随后的是8个字节表示的一个64位无符合数，这个数用来表示传输数据的长度。多字节长度的数量是以网络字节的顺序表示。负载数据的长度为扩展数据及应用数据之和，扩展数据的长度可能为0,因而此时负载数据的长度就为应用数据的长度。

  • Masking-key: 0或4个字节，客户端发送给服务端的数据，都是通过内嵌的一个32位值作为掩码的；掩码键只有在掩码位设置为1的时候存在。

  • Payload data: (x+y)位，负载数据为扩展数据及应用数据长度之和。

  • Extension data: x位，如果客户端与服务端之间没有特殊约定，那么扩展数据的长度始终为0，任何的扩展都必须指定扩展数据的长度，或者长度的计算方式，以及在握手时如何确定正确的握手方式。如果存在扩展数据，则扩展数据就会包括在负载数据的长度之内。

  • Application data: y位，任意的应用数据，放在扩展数据之后，应用数据的长度=负载数据的长度-扩展数据的长度。

二、golang的websocket实现

我们了解了websocket的实现原理之后，请看以下golang的实现案例：

package main
import(
    "net"
    "log"
    "strings"
    "crypto/sha1"
    "io"
    "encoding/base64"
    "errors"
)
func main() {
    ln, err := net.Listen("tcp", ":8000")
    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }
    for {
        conn, err := ln.Accept()
        if err != nil {
            log.Println("Accept err:", err)
        }
        for {
            handleConnection(conn)
        }
    }
}

func handleConnection(conn net.Conn) {
    content := make([]byte, 1024)
    _, err := conn.Read(content)
    log.Println(string(content))
    if err != nil {
        log.Println(err)
    }
    isHttp := false
    // 先暂时这么判断
    if string(content[0:3]) == "GET" {
        isHttp = true;
    }
    log.Println("isHttp:", isHttp)
    if isHttp {
        headers := parseHandshake(string(content))
        log.Println("headers", headers)
        secWebsocketKey := headers["Sec-WebSocket-Key"]
        // NOTE：这里省略其他的验证
        guid := "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"
        // 计算Sec-WebSocket-Accept
        h := sha1.New()
        log.Println("accept raw:", secWebsocketKey + guid)
        io.WriteString(h, secWebsocketKey + guid)
        accept := make([]byte, 28)
        base64.StdEncoding.Encode(accept, h.Sum(nil))
        log.Println(string(accept))
        response := "HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n"
        response = response + "Sec-WebSocket-Accept: " + string(accept) + "\r\n"
        response = response + "Connection: Upgrade\r\n"
        response = response + "Upgrade: websocket\r\n\r\n"
        log.Println("response:", response)
        if lenth, err := conn.Write([]byte(response)); err != nil {
            log.Println(err)
        } else {
            log.Println("send len:", lenth)
        }
        wssocket := NewWsSocket(conn)
        for {
            data, err := wssocket.ReadIframe()
            if err != nil {
                log.Println("readIframe err:" , err)
            }
            log.Println("read data:", string(data))
            err = wssocket.SendIframe([]byte("good"))
            if err != nil {
                log.Println("sendIframe err:" , err)
            }
            log.Println("send data")
        }
    } else {
        log.Println(string(content))
        // 直接读取
    }
}

type WsSocket struct {
    MaskingKey []byte
    Conn net.Conn
}

func NewWsSocket(conn net.Conn) *WsSocket {
    return &WsSocket{Conn: conn}
}

func (this *WsSocket)SendIframe(data []byte) error {
    // 这里只处理data长度<125的
    if len(data) >= 125 {
        return errors.New("send iframe data error")
    }
    lenth := len(data)
    maskedData := make([]byte, lenth)
    for i := 0; i < lenth; i++ {
        if this.MaskingKey != nil {
            maskedData[i] = data[i] ^ this.MaskingKey[i % 4]
        } else {
            maskedData[i] = data[i]
        }
    }
    this.Conn.Write([]byte{0x81})
    var payLenByte byte
    if this.MaskingKey != nil && len(this.MaskingKey) != 4 {
        payLenByte = byte(0x80) | byte(lenth)
        this.Conn.Write([]byte{payLenByte})
        this.Conn.Write(this.MaskingKey)
    } else {
        payLenByte = byte(0x00) | byte(lenth)
        this.Conn.Write([]byte{payLenByte})
    }
    this.Conn.Write(data)
    return nil
}

func (this *WsSocket)ReadIframe() (data []byte, err error){
    err = nil
    //第一个字节：FIN + RSV1-3 + OPCODE
    opcodeByte := make([]byte, 1)
    this.Conn.Read(opcodeByte)
    FIN := opcodeByte[0] >> 7
    RSV1 := opcodeByte[0] >> 6 & 1
    RSV2 := opcodeByte[0] >> 5 & 1
    RSV3 := opcodeByte[0] >> 4 & 1
    OPCODE := opcodeByte[0] & 15
    log.Println(RSV1,RSV2,RSV3,OPCODE)

    payloadLenByte := make([]byte, 1)
    this.Conn.Read(payloadLenByte)
    payloadLen := int(payloadLenByte[0] & 0x7F)
    mask := payloadLenByte[0] >> 7
    if payloadLen == 127 {
        extendedByte := make([]byte, 8)
        this.Conn.Read(extendedByte)
    }
    maskingByte := make([]byte, 4)
    if mask == 1 {
        this.Conn.Read(maskingByte)
        this.MaskingKey = maskingByte
    }

    payloadDataByte := make([]byte, payloadLen)
    this.Conn.Read(payloadDataByte)
    log.Println("data:", payloadDataByte)
    dataByte := make([]byte, payloadLen)
    for i := 0; i < payloadLen; i++ {
        if mask == 1 {
            dataByte[i] = payloadDataByte[i] ^ maskingByte[i % 4]
        } else {
            dataByte[i] = payloadDataByte[i]
        }
    }
    if FIN == 1 {
        data = dataByte
        return
    }
    nextData, err := this.ReadIframe()
    if err != nil {
        return
    }
    data = append(data,  nextData...)
    return
}

func parseHandshake(content string) map[string]string {
    headers := make(map[string]string, 10)
    lines := strings.Split(content, "\r\n")
    for _,line := range lines {
        if len(line) >= 0 {
            words := strings.Split(line, ":")
            if len(words) == 2 {
                headers[strings.Trim(words[0]," ")] = strings.Trim(words[1], " ")
            }
        }
    }
    return headers
}

html和ｊs使用案例：

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>Title</title>
</head>
<body>
<html>
<head>
    <script type="text/javascript" src="./jquery.min.js"></script>
</head>
<body>
<input type="button" id="connect" value="websocket connect" />
<input type="button" id="send" value="websocket send" />
<input type="button" id="close" value="websocket close" />
</body>
<script type="text/javascript" src="./websocket.js"></script>
</html>
</body>
</html>

var socket;
$("#connect").click(function(event){
    socket = new WebSocket("ws://127.0.0.1:8000/chat");
    socket.onopen = function(){
    alert("Socket has been opened");
    }
    socket.onmessage = function(msg){
    alert(msg.data);
    }
    socket.onclose = function() {
    alert("Socket has been closed");
    }
});
$("#send").click(function(event){
    socket.send("send from client");
});
$("#close").click(function(event){
    socket.close();
})
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