websocket协议入门

背景

websocket是html5提出的新的协议规范，填补了无法长连接的空缺。在没有websocket之前，由于http是短连接，只能由客户端请求服务器，一些功能（即时通讯/处理耗时的请求等）只能通过轮询来做，不断的轮询服务器是否有新的消息。
websocket正是为了解决这个问题而生，websocket是一个长连接/全双工的协议。

优点

不用频繁送HTTP请求，只需要发送一个HTTP请求进行websocket握手，接下来则可以利用该TCP连接通过websocket协议通讯，避免了传输多个HTTP Header的浪费。
全双工通道，突破了HTTP请求时只能client请求server的限制，server可以直接push消息给client端。
可以边生成数据边传递，不需要等数据生成完毕，提高了效率
websocket数据传输是基于数据帧的，可以分片传输，不需要怕数据太大包容纳不下。

过程

websocket协议包含三个过程。
1. 握手打开连接（使用HTTP协议，通过HTTP协议建立连接，以免服务器不支持websocket直接不予回应）
2. 数据传输
3. 握手结束连接

注意：以下大部分例子使用官网提供的demo进行测试，使用wireshark进行抓包

1. Opening handshake

Opening handshake使用HTTP协议，通过HTTP协议建立连接，以免服务器不支持websocket直接不予回应。
从最开始到现在一共有三种握手方法：
（1）基于flash的handshake，一般用于IE或者旧版chrome，没有加密
（2）基于md5，较早的握手方法，有两个key，使用md5加密
（3）基于sha1，协议版本需要是13或以上，现在主要是使用这个，所以这里只讨论这个。

当客户端想要和服务器建立websocket连接，客户端需要发送一个HTTP请求，服务器也会响应这个请求。
请求：

响应：
这里写图片描述

请求中的这两个字段代表着客户端想将HTTP连接升级为websocket连接

 Connection: Upgrade
 Upgrade: websocket

客户端会经过校验才确定和服务器创建websocket连接，这里需要关注请求中的Sec-WebSocket-Key和响应中的Sec-WebSocket-Accept

Sec-WebSocket-Key: MK5n+7rxCGBj608e1/VJQw==

Sec-WebSocket-Accept: ofJ3UpTzhgemcUGIgfEw7NmPbqw=

这里key和accept的关系是：
（1）key与一段特殊字符串拼接（”258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”）

 MK5n+7rxCGBj6O8e1/VJQw==258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11

（2）再经过sha1运行得出160位的字符串

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a1f2775294f38607a671418881f130ecd98f6eac

（3）将上面的hash值经过base64加密
注意此处，hash值是16进制模式，直接转换成二进制加密即可

‭‭101000011111001001110111010100101001‬ ...
↓
‭101000 011111 001001 110111 010100 101001 ...‬
↓
ofJ3UpTzhgemcUGIgfEw7NmPbqw=

最后得出来的值必须与accept的值一致，否则校验不通过。

2. 数据传输

当客户端校验成功，就会与服务端建立起websocket连接，可以开始传输数据。
使用客户端向服务端发送文本消息，可见websocket的数据包较小，这里来逐个分析数据包格式。

这里写图片描述

（1）前面四个bit为标识位。
第一位为Fin，标识着此消息是否为最后一个数据包。如果数据太大被切分成多个包，则前面若干个包Fin为0，最后一个为1 。此处包比较小，可以容纳下数据，为1
后面3个bit暂时保留。

（2）4-7bit为Opcode，操作码
0x0：标识一个中间数据包
0x1：标识一个text类型数据包
0x2：标识一个binary类型数据包
0x3-7：保留
0x8：标识一个断开连接类型数据包
0x9：标识一个ping类型数据包
0xA：标识一个pong类型数据包
0xB-F：保留

（3）第8bit为Mask
标识着是否使用掩码，协议要求客户端发送数据必须使用掩码，Mask为1，服务器发送数据不使用掩码，Mask为0

（4）9-15bit为payload的长度
这7个bit固定用于显示paylaod长度，如果7个bit不够用，可以扩展最多至后面8个字节

如果其值在0-125，则该值是payload的真实长度。
如果值是126，则payload的真实长度为后面16位
如果值是127，则payload的真实长度为后面64位

（5）payload Length后面是Mask-Key，占8位。
假如Mask为1，则payload会与mask-key做掩码运算（每8位做一次XOR运算）得到Masked-Payload用作实际传输。

总结一下，websocket数据包格式如下：
这里写图片描述

3. closing handshake

当某一端想要关闭连接时，发送close包，另一端回复一个同样的包即可。close包的格式与上面的数据传输的格式一致，Opcode为0x8。

当某一端发生异常，或者是Mask码不对（客户端发的不为1，或者服务端发的不为0），将会关闭连接，这时close包中会包含错误状态码，1002
这里写图片描述
更多的websocket状态码：https://segmentfault.com/a/1190000007587248

背景

优点

过程

1. Opening handshake

2. 数据传输

3. closing handshake

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