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();
})
有疑问加站长微信联系（非本文作者）
