WebSocket的實(shí)現(xiàn)原理

一历筝、什么是websocket

Websocket是應(yīng)用層第七層上的一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議梳猪，它必須依賴 HTTP 協(xié)議進(jìn)行一次握手 ，握手成功后呛哟，數(shù)據(jù)就直接從 TCP 通道傳輸匿沛，與 HTTP 無(wú)關(guān)了逃呼。即：websocket分為握手和數(shù)據(jù)傳輸階段，即進(jìn)行了HTTP握手 + 雙工的TCP連接苏揣。

下面我們分別來(lái)看一下這兩個(gè)階段的具體實(shí)現(xiàn)原理：

１、握手階段

客戶端發(fā)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

服務(wù)端返回消息：

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

這里值得注意的是Sec-WebSocket-Accept的計(jì)算方法：
base64(hsa1(sec-websocket-key + 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11))
如果這個(gè)Sec-WebSocket-Accept計(jì)算錯(cuò)誤瀏覽器會(huì)提示：Sec-WebSocket-Accept dismatch
如果返回成功框沟，Websocket就會(huì)回調(diào)onopen事件

２忍燥、傳輸階段

Websocket的數(shù)據(jù)傳輸是frame形式傳輸?shù)拿仿ⅲ热鐣?huì)將一條消息分為幾個(gè)frame哎甲，按照先后順序傳輸出去饲嗽。這樣做會(huì)有幾個(gè)好處：

• a貌虾、大數(shù)據(jù)的傳輸可以分片傳輸裙犹，不用考慮到數(shù)據(jù)大小導(dǎo)致的長(zhǎng)度標(biāo)志位不足夠的情況叶圃。
• b、和http的chunk一樣沉馆，可以邊生成數(shù)據(jù)邊傳遞消息德崭，即提高傳輸效率。

websocket傳輸使用的協(xié)議如下圖：

1464250745194141.png

參數(shù)說(shuō)明如下：

• FIN：1位锌奴，用來(lái)表明這是一個(gè)消息的最后的消息片斷鹿蜀，當(dāng)然第一個(gè)消息片斷也可能是最后的一個(gè)消息片斷；

• RSV1, RSV2, RSV3: 分別都是1位颠焦，如果雙方之間沒(méi)有約定自定義協(xié)議蒸健，那么這幾位的值都必須為0,否則必須斷掉WebSocket連接婉商；

• Opcode: 4位操作碼丈秩，定義有效負(fù)載數(shù)據(jù)蘑秽，如果收到了一個(gè)未知的操作碼，連接也必須斷掉幼衰，以下是定義的操作碼：

  *  %x0 表示連續(xù)消息片斷
  *  %x1 表示文本消息片斷
  *  %x2 表未二進(jìn)制消息片斷
  *  %x3-7 為將來(lái)的非控制消息片斷保留的操作碼
  *  %x8 表示連接關(guān)閉
  *  %x9 表示心跳檢查的ping
  *  %xA 表示心跳檢查的pong
  *  %xB-F 為將來(lái)的控制消息片斷的保留操作碼
  

• Mask: 1位渡嚣，定義傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否有加掩碼,如果設(shè)置為1,掩碼鍵必須放在masking-key區(qū)域识椰，客戶端發(fā)送給服務(wù)端的所有消息深碱，此位的值都是1敷硅；

• Payload length: 傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度竞膳，以字節(jié)的形式表示：7位、7+16位刊侯、或者7+64位滨彻。如果這個(gè)值以字節(jié)表示是0-125這個(gè)范圍，那這個(gè)值就表示傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度休偶；如果這個(gè)值是126踏兜，則隨后的兩個(gè)字節(jié)表示的是一個(gè)16進(jìn)制無(wú)符號(hào)數(shù)，用來(lái)表示傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度碱妆；如果這個(gè)值是127,則隨后的是8個(gè)字節(jié)表示的一個(gè)64位無(wú)符合數(shù)疹尾，這個(gè)數(shù)用來(lái)表示傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度纳本。多字節(jié)長(zhǎng)度的數(shù)量是以網(wǎng)絡(luò)字節(jié)的順序表示繁成。負(fù)載數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為擴(kuò)展數(shù)據(jù)及應(yīng)用數(shù)據(jù)之和朴艰，擴(kuò)展數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度可能為0,因而此時(shí)負(fù)載數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度就為應(yīng)用數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度混移。

• Masking-key: 0或4個(gè)字節(jié)歌径，客戶端發(fā)送給服務(wù)端的數(shù)據(jù)回铛，都是通過(guò)內(nèi)嵌的一個(gè)32位值作為掩碼的克锣；掩碼鍵只有在掩碼位設(shè)置為1的時(shí)候存在。

• Payload data: (x+y)位验残，負(fù)載數(shù)據(jù)為擴(kuò)展數(shù)據(jù)及應(yīng)用數(shù)據(jù)長(zhǎng)度之和巾乳。

• Extension data: x位您没，如果客戶端與服務(wù)端之間沒(méi)有特殊約定鸟召，那么擴(kuò)展數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度始終為0，任何的擴(kuò)展都必須指定擴(kuò)展數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度氨鹏，或者長(zhǎng)度的計(jì)算方式欧募，以及在握手時(shí)如何確定正確的握手方式。如果存在擴(kuò)展數(shù)據(jù)仆抵，則擴(kuò)展數(shù)據(jù)就會(huì)包括在負(fù)載數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度之內(nèi)跟继。

• Application data: y位，任意的應(yīng)用數(shù)據(jù)镣丑，放在擴(kuò)展數(shù)據(jù)之后舔糖，應(yīng)用數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度=負(fù)載數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度-擴(kuò)展數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

二传轰、golang的websocket實(shí)現(xiàn)

我們了解了websocket的實(shí)現(xiàn)原理之后，請(qǐng)看以下golang的實(shí)現(xiàn)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
    // 先暫時(shí)這么判斷
    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：這里省略其他的驗(yàn)證
        guid := "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"
        // 計(jì)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))
        // 直接讀取
    }
}

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 {
    // 這里只處理data長(zhǎng)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
    //第一個(gè)字節(jié)：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();
})