一、websocket协议原理
（一）websocket 协议的官方文档 ：
https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-hybi-thewebsocketprotocol-13#section-5
Linux 下c语言 实现 websocket 包含客户端 和服务器测试代码 ：
http://blog.csdn.net/sguniver_22/article/details/74273839
c语言实现websocket服务器：
http://blog.csdn.net/lell3538/article/details/60470558
细说webosokcet-php篇
https://www.cnblogs.com/hustskyking/p/websocket-with-php.html
（二）需要学习哪些东西？
1. 如何建立连接
2. 如何交换数据
3. 数据帧格式
4. 如何维持连接
websocket连接建立过程：
websocket 复用了HTTP的握手通道。具体指的是，客户端HTTP请求与websocket 服务端协商升级协议。
1. client -> server 发送Sec-WebSocket-Key
2. server-> client 加密返回Sec-WebScoket-Accept
3 client -> server 本地校验
1. 客户端发起协议升级请求。 采用标准的HTTP报文格式，只支持 GET
GET / HTTP/1.1
Host: localhost:8080
Origin: http://127.0.0.1:3000
Connection: Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Version: 13
Sec-WebSocket-Key: w4v7O6xFTi36lq3RNcgctw==
2. 服务端相应协议升级
HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Connection:Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Accept: Oy4NRAQ13jhfONC7bP8dTKb4PTU=
注意每个header都以\r\n结尾，并且最后一行加上一个额外的空行\r\n
Sec-WebSocket-Accept的计算
伪代码如下：
>toBase64( sha1( Sec-WebSocket-Key + 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 ) )
（三） 数据帧格式
WebSocket客户端，服务端通信的最小单位是帧（frame）,由一个或多个帧组成一条完整的消息(message)
1. 发送端： 将消息切割成多个帧，并发送给服务端；
2. 接收端： 接受消息帧，并将关联的帧重新组装成完整的消息；
数据帧格式详解：
第一个字节
FIN:1位，用于描述消息是否结束，如果为1则该消息为消息尾部,如果为零则还有后续数据包;
uint8_t fin = (uint8_t)msg[pos] >> 7;
RSV1,RSV2,RSV3,各1位，用于扩展定义的,如果没有扩展约定的情况则必须为0
OPCODE:4位，用于表示消息接收类型，如果接收到未知的opcode，接收端必须关闭连接。
uint8_t opcode = msg[pos] & 0x0f;
0x0表示附加数据帧
0x1表示文本数据帧
0x2表示二进制数据帧
0x3-7暂时无定义，为以后的非控制帧保留
0x8表示连接关闭
0x9表示ping
0xA表示pong
0xB-F暂时无定义，为以后的控制帧保留
第二个字节
MASK:1位，用于标识PayloadData是否经过掩码处理，客户端发出的数据帧需要进行掩码处理，所以此位是1。数据需要解码
uint8_t mask = (uint8_t)msg[pos] >> 7;
Mask: 1个比特。
从客户端向服务端发送数据时，需要对数据进行掩码操作；从服务端向客户端发送数据时，不需要对数据进行掩码操作。 如果服务端接收到的数据没有进行过掩码操作，服务端需要断开连接。
掩码算法：
首先，假设：
original-octet-i：为原始数据的第i字节。
transformed-octet-i：为转换后的数据的第i字节。
j：为i mod 4的结果。
masking-key-octet-j：为mask key第j字节。
算法描述为： original-octet-i 与 masking-key-octet-j 异或后，得到 transformed-octet-i。
j = i MOD 4
transformed-octet-i = original-octet-i XOR masking-key-octet-j
PayloadData的长度：7位，7+16位，7+64位
如果其值在0-125，则是payload的真实长度。
如果值是126，则后面2个字节形成的16位无符号整型数的值是payload的真实长度。注意，网络字节序，需要转换。
如果值是127，则后面8个字节形成的64位无符号整型数的值是payload的真实长度。注意，网络字节序，需要转换。
长度表示遵循一个原则，用最少的字节表示长度（我理解是尽量减少不必要的传输）。举例说，payload真实长度是124，在0-125之间，必须用前7位表示；不允许长度1是126或127，然后长度2是124，这样违反原则。
uint64_t payload_length_ = msg[pos] & 0x7f;
pos++;
if(payload_length_ == 126){
uint16_t length = 0;
memcpy(&length, msg + pos, 2);
pos += 2;
payload_length_ = ntohs(length);
}
else if(payload_length_ == 127){
uint32_t length = 0;
memcpy(&length, msg + pos, 4);
pos += 4;
payload_length_ = ntohl(length);
}
后面的字节就是消息体，获取消息体内如如下：
char payload_[2048];
memset(payload_, 0, sizeof(payload_));
if(mask_ != 1){
memcpy(payload_, msg + pos, payload_length_);
}
else {
for(uint i = 0; i < payload_length_; i++){
int j = i % 4;
payload_[i] = msg[pos + i] ^ masking_key_[j];
}
}
pos += payload_length_;
（四）、数据传递
一旦WebSocket 客户端、服务端连接后，后续的操作都是基于数据帧的传递。
1、数据分片
第一条消息
FIN=1, 表示是当前消息的最后一个数据帧。服务端收到当前数据帧后，可以处理消息。opcode=0x1，表示客户端发送的是文本类型。
第二条消息
FIN=0，opcode=0x1，表示发送的是文本类型，且消息还没发送完成，还有后续的数据帧。
FIN=0，opcode=0x0，表示消息还没发送完成，还有后续的数据帧，当前的数据帧需要接在上一条数据帧之后。
FIN=1，opcode=0x0，表示消息已经发送完成，没有后续的数据帧，当前的数据帧需要接在上一条数据帧之后。服务端可以将关联的数据帧组装成完整的消息。
Client: FIN=1, opcode=0x1, msg="hello"
Server: (process complete message immediately) Hi.
Client: FIN=0, opcode=0x1, msg="and a"
Server: (listening, new message containing text started)
Client: FIN=0, opcode=0x0, msg="happy new"
Server: (listening, payload concatenated to previous message)
Client: FIN=1, opcode=0x0, msg="year!"
Server: (process complete message) Happy new year to you too!
（五）、 连接保持+心跳
WebSocket为了保持客户端，服务端的实时双向通信，需要确保客户端和服务端之间的TCP通道长期连接不断开。然而，对于长时间没有数据往来的连接，如果依旧长时间保持着，可能会浪费连接资源。 但是不排除有些场景，客户端和服务端虽然长时间没有数据往来，但仍需保持连接。 这个时候可以采用心跳 实现。
发送方-> 接收方 ：ping
接收方-> 发送方 ： pong
（六）、Sec-WebSocket-Key/Accept的作用？
2. 确保服务端理解websocket连接，因为握手阶段采用的是http协议，因此ws连接可能是被一个http服务器处理并返回的，此时客户端可以通过Sec-WebSocket-Key来确保服务端认识ws协议。（并非百分百保险，比如总是存在那么些无聊的http服务器，光处理Sec-WebSocket-Key，但并没有实现ws协议。。。）
5. Sec-WebSocket-Key主要目的并不是保证数据的安全，因为Sec-WebSocket-Key, Sec-WebSocket-Accept的转换计算公式是公开的，而且很简单，主要作用是防止一些常见的以外情况（非故意的）
（七），数据掩码的作用
安全。但并不是为了防止数据泄密，而是为了防止早期版本协议存在的代理缓存污染攻击（proxy cache poisoning attacks） 等问题。 （不甚理解）
下面给出一段 c++实现 websocket 服务端 ，作为研究包解析，数据解码，链接建立过程等，不能作为生产环境使用！
二、c++实现部分源码
下面是主要代码。
1 #ifndef __WebSocketProtocol_H__
2 #define __WebSocketProtocol_H__
3
4 #include <string>
5
6 using std::string;
7
8 class CWebSocketProtocol
9 {
10 public:
11 enum WS_Status
12 {
13 WS_STATUS_CONNECT = 0,
14 WS_STATUS_UNCONNECT = 1,
15 };
16
17 enum WS_FrameType
18 {
19 WS_EMPTY_FRAME = 0xF0,
20 WS_ERROR_FRAME = 0xF1,
21 WS_TEXT_FRAME = 0x01,
22 WS_BINARY_FRAME = 0x02,
23 WS_PING_FRAME = 0x09,
24 WS_PONG_FRAME = 0x0A,
25 WS_OPENING_FRAME = 0xF3,
26 WS_CLOSING_FRAME = 0x08
27 };
28
29 static CWebSocketProtocol * getInstance();
30
31 int getResponseHttp(string &request, string &response);
32 int wsDecodeFrame(string inFrame, string &outMessage); //解码帧
33 int wsEncodeFrame(string inMessage, string &outFrame, enum WS_FrameType frameType); //编码帧打包
34
35 private:
36 CWebSocketProtocol();
37 ~CWebSocketProtocol();
38
39 class CGrabo
40 {
41 public:
42 ~CGrabo()
43 {
44 if (m_inst != 0)
45 {
46 delete m_inst;
47 m_inst = 0;
48 }
49 }
50 };
51
52 static CGrabo m_grabo;
53 static CWebSocketProtocol * m_inst;
54 };
55
56 #endif 1 #include "WebSocketProtocol.h"
2 #include <iostream>
3 #include <sstream>
4 #include <string.h>
5 #include <arpa/inet.h>
6 #include "sha1.h"
7 #include "base64.h"
8
9 const char * MAGIC_KEY = "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11";
10
11 CWebSocketProtocol::CGrabo CWebSocketProtocol::m_grabo;
12 CWebSocketProtocol * CWebSocketProtocol::m_inst = 0;
13
14 CWebSocketProtocol::CWebSocketProtocol()
15 {
16 }
17
18
19 CWebSocketProtocol::~CWebSocketProtocol()
20 {
21 }
22
23
24
25 CWebSocketProtocol * CWebSocketProtocol::getInstance()
26 {
27 if (m_inst != 0)
28 {
29 m_inst = new CWebSocketProtocol;
30 }
31
32 return m_inst;
33 }
34
35 int CWebSocketProtocol::getResponseHttp(string &request, string &response)
36 {
37 // 解析http请求头信息
38 int ret = WS_STATUS_UNCONNECT;
39 std::istringstream stream(request.c_str());
40 std::string reqType;
41 std::getline(stream, reqType);
42 if (reqType.substr(0, 4) != "GET ")
43 {
44 return ret;
45 }
46
47 std::string header;
48 std::string::size_type pos = 0;
49 std::string websocketKey;
50 while (std::getline(stream, header) && header != "\r")
51 {
52 header.erase(header.end() - 1);
53 pos = header.find(": ", 0);
54 if (pos != std::string::npos)
55 {
56 std::string key = header.substr(0, pos);
57 std::string value = header.substr(pos + 2);
58 if (key == "Sec-WebSocket-Key")
59 {
60 ret = WS_STATUS_CONNECT;
61 websocketKey = value;
62 break;
63 }
64 }
65 }
66
67 if (ret != WS_STATUS_CONNECT)
68 {
69 return ret;
70 }
71
72 // 填充http响应头信息
73 response = "HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n";
74 response += "Connection: upgrade\r\n";
75 response += "Sec-WebSocket-Accept: ";
76
77 std::string serverKey = websocketKey + MAGIC_KEY;
78
79 SHA1 sha;
80 unsigned int message_digest[5];
81 sha.Reset();
82 sha << serverKey.c_str();
83
84 sha.Result(message_digest);
85 for (int i = 0; i < 5; i++) {
86 message_digest[i] = htonl(message_digest[i]);
87 }
88 serverKey = base64_encode(reinterpret_cast<const unsigned char*>(message_digest), 20);
89 response += serverKey;
90 response += "\r\n";
91 response += "Upgrade: websocket\r\n\r\n";
92
93 return ret;
94 }
95
96 int CWebSocketProtocol::wsDecodeFrame(string inFrame, string &outMessage)
97 {
98 int ret = WS_OPENING_FRAME;
99 const char *frameData = inFrame.c_str();
100 const int frameLength = inFrame.size();
101 if (frameLength < 2)
102 {
103 ret = WS_ERROR_FRAME;
104 }
105
106 // 检查扩展位并忽略
107 if ((frameData[0] & 0x70) != 0x0)
108 {
109 ret = WS_ERROR_FRAME;
110 }
111
112 // fin位: 为1表示已接收完整报文, 为0表示继续监听后续报文
113 ret = (frameData[0] & 0x80);
114 if ((frameData[0] & 0x80) != 0x80)
115 {
116 ret = WS_ERROR_FRAME;
117 }
118
119 // mask位, 为1表示数据被加密
120 if ((frameData[1] & 0x80) != 0x80)
121 {
122 ret = WS_ERROR_FRAME;
123 }
124
125 // 操作码
126 uint16_t payloadLength = 0;
127 uint8_t payloadFieldExtraBytes = 0;
128 uint8_t opcode = static_cast<uint8_t>(frameData[0] & 0x0f);
129 if (opcode == WS_TEXT_FRAME)
130 {
131 // 处理utf-8编码的文本帧
132 payloadLength = static_cast<uint16_t>(frameData[1] & 0x7f);
133 if (payloadLength == 0x7e)
134 {
135 uint16_t payloadLength16b = 0;
136 payloadFieldExtraBytes = 2;
137 memcpy(&payloadLength16b, &frameData[2], payloadFieldExtraBytes);
138 payloadLength = ntohs(payloadLength16b);
139 }
140 else if (payloadLength == 0x7f)
141 {
142 // 数据过长,暂不支持
143 ret = WS_ERROR_FRAME;
144 }
145 }
146 else if (opcode == WS_BINARY_FRAME || opcode == WS_PING_FRAME || opcode == WS_PONG_FRAME)
147 {
148 // 二进制/ping/pong帧暂不处理
149 }
150 else if (opcode == WS_CLOSING_FRAME)
151 {
152 ret = WS_CLOSING_FRAME;
153 }
154 else
155 {
156 ret = WS_ERROR_FRAME;
157 }
158
159 // 数据解码
160 if ((ret != WS_ERROR_FRAME) && (payloadLength > 0))
161 {
162 // header: 2字节, masking key: 4字节
163 const char *maskingKey = &frameData[2 + payloadFieldExtraBytes];
164 char *payloadData = new char[payloadLength + 1];
165 memset(payloadData, 0, payloadLength + 1);
166 memcpy(payloadData, &frameData[2 + payloadFieldExtraBytes + 4], payloadLength);
167 for (int i = 0; i < payloadLength; i++)
168 {
169 payloadData[i] = payloadData[i] ^ maskingKey[i % 4];
170 }
171
172 outMessage = payloadData;
173 delete[] payloadData;
174 }
175
176 return ret;
177 }
178
179 int CWebSocketProtocol::wsEncodeFrame(string inMessage, string &outFrame, enum WS_FrameType frameType)
180 {
181 int ret = WS_EMPTY_FRAME;
182 const uint32_t messageLength = inMessage.size();
183 if (messageLength > 32767)
184 {
185 // 暂不支持这么长的数据
186 std::cout << "暂不支持这么长的数据" << std::endl;
187
188 return WS_ERROR_FRAME;
189 }
190
191 uint8_t payloadFieldExtraBytes = (messageLength <= 0x7d) ? 0 : 2;
192 // header: 2字节, mask位设置为0(不加密), 则后面的masking key无须填写, 省略4字节
193 uint8_t frameHeaderSize = 2 + payloadFieldExtraBytes;
194 uint8_t *frameHeader = new uint8_t[frameHeaderSize];
195 memset(frameHeader, 0, frameHeaderSize);
196 // fin位为1, 扩展位为0, 操作位为frameType
197 frameHeader[0] = static_cast<uint8_t>(0x80 | frameType);
198
199 // 填充数据长度
200 if (messageLength <= 0x7d)
201 {
202 frameHeader[1] = static_cast<uint8_t>(messageLength);
203 }
204 else
205 {
206 frameHeader[1] = 0x7e;
207 uint16_t len = htons(messageLength);
208 memcpy(&frameHeader[2], &len, payloadFieldExtraBytes);
209 }
210
211 // 填充数据
212 uint32_t frameSize = frameHeaderSize + messageLength;
213 char *frame = new char[frameSize + 1];
214 memcpy(frame, frameHeader, frameHeaderSize);
215 memcpy(frame + frameHeaderSize, inMessage.c_str(), messageLength);
216 frame[frameSize] = ‘\0‘;
217 outFrame = frame;
218
219 delete[] frame;
220 delete[] frameHeader;
221 return ret;
222 }