websocket协议详解

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前言

之前前端要想实时显示数据，不可不采取轮询调用方式。WebSocket的出现，使得浏览器具备了实时双向通信的能力。

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一、WebSocket介绍

WebSocket 是一种网络传输协议，可在单个 TCP 连接上进行全双工通信，位于 OSI 模型的应用层。 WebSocket 协议在 2011 年由 IETF 标准化为 RFC 6455，后由 RFC 7936 补充规范。Web IDL 中的 WebSocket API 由 W3C 标准化。

WebSocket 使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。在 WebSocket API 中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。

WebSocket 协议支持 Web 浏览器（或其他客户端应用程序）与 Web 服务器之间的交互，具有较低的开销，便于实现客户端与服务器的实时数据传输。 服务器可以通过标准化的方式来实现，而无需客户端首先请求内容，并允许消息在保持连接打开的同时来回传递。通过这种方式，可以在客户端和服务器之间进行双向持续交互。 通信默认通过 TCP 端口 80 或 443 完成。

WebSocket的特点

WebSocket是一个真正的“全双工”的通信协议，服务器可以变得更“主动”了，一旦后台有新的数据，就可以立即“推送”给客户端，不需要客户端轮询，“实时通讯”的效率提高了。

WebSocket 的帧结构

WebSocket用的是二进制帧

数据帧格式概览

  0                   1                   2                   3
  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
 +-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
 |F|R|R|R| opcode|M| Payload len |    Extended payload length    |
 |I|S|S|S|  (4)  |A|     (7)     |             (16/64)           |
 |N|V|V|V|       |S|             |   (if payload len==126/127)   |
 | |1|2|3|       |K|             |                               |
 +-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +
 |     Extended payload length continued, if payload len == 127  |
 + - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+
 |                               |Masking-key, if MASK set to 1  |
 +-------------------------------+-------------------------------+
 | Masking-key (continued)       |          Payload Data         |
 +-------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - +
 :                     Payload Data continued ...                :
 + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +
 |                     Payload Data continued ...                |
 +---------------------------------------------------------------+

数据帧格式详解

FIN：1个比特。

如果是1，表示这是消息（message）的最后一个分片（fragment），如果是0，表示不是是消息（message）的最后一个分片（fragment）。

RSV1, RSV2, RSV3：各占1个比特。

一般情况下全为0。当客户端、服务端协商采用WebSocket扩展时，这三个标志位可以非0，且值的含义由扩展进行定义。如果出现非零的值，且并没有采用WebSocket扩展，连接出错。

Opcode: 4个比特。

操作代码，Opcode的值决定了应该如何解析后续的数据载荷（data payload）。如果操作代码是不认识的，那么接收端应该断开连接（fail the connection）。可选的操作代码如下：

%x0：表示一个延续帧。当Opcode为0时，表示本次数据传输采用了数据分片，当前收到的数据帧为其中一个数据分片。
%x1：表示这是一个文本帧（frame）
%x2：表示这是一个二进制帧（frame）
%x3-7：保留的操作代码，用于后续定义的非控制帧。
%x8：表示连接断开。
%x9：表示这是一个ping操作。
%xA：表示这是一个pong操作。
%xB-F：保留的操作代码，用于后续定义的控制帧。

Mask: 1个比特。

表示是否要对数据载荷进行掩码操作。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。

如果Mask是1，那么在Masking-key中会定义一个掩码键（masking key），并用这个掩码键来对数据载荷进行反掩码。所有客户端发送到服务端的数据帧，Mask都是1。

Payload length：数据载荷的长度，单位是字节。为7位，或7+16位，或1+64位。

假设数Payload length === x，如果

x为0~126：数据的长度为x字节。
x为126：后续2个字节代表一个16位的无符号整数，该无符号整数的值为数据的长度。
x为127：后续8个字节代表一个64位的无符号整数（最高位为0），该无符号整数的值为数据的长度。
此外，如果payload length占用了多个字节的话，payload length的二进制表达采用网络序（big endian，重要的位在前）。

Masking-key：0或4字节（32位）

所有从客户端传送到服务端的数据帧，数据载荷都进行了掩码操作，Mask为1，且携带了4字节的Masking-key。如果Mask为0，则没有Masking-key。

备注：载荷数据的长度，不包括mask key的长度。

Payload data：(x+y) 字节

载荷数据：包括了扩展数据、应用数据。其中，扩展数据x字节，应用数据y字节。

扩展数据：如果没有协商使用扩展的话，扩展数据数据为0字节。所有的扩展都必须声明扩展数据的长度，或者可以如何计算出扩展数据的长度。此外，扩展如何使用必须在握手阶段就协商好。如果扩展数据存在，那么载荷数据长度必须将扩展数据的长度包含在内。

应用数据：任意的应用数据，在扩展数据之后（如果存在扩展数据），占据了数据帧剩余的位置。载荷数据长度 减去 扩展数据长度，就得到应用数据的长度。

WebSocket 握手

和TCP，TLS一样，WebSocket也要有一个握手过程，利用HTTP协议的“协议升级”特性，“伪装”成HTTP，这样就可以绕过浏览器沙盒。

WebSocket的握手是一个标准的HTTP GET 请求，但是要带上两个协议升级的专用头字段：

• “Connection: Upgrade”, 表示要协议升级；
• “Upgrade: websocket”, 表示要“升级” WebSocket协议。

为了防止普通的HTTP消息被“意外”识别成WebSocket，握手消息还增加了两个额外的认证用的头字段；（Challenge）

• Sec-WebSocket-Key: 一个Base64编码的16字节随机数，作为简单的认证秘钥；
• Sec-WebSocket-Version: 协议的版本号，当前必须是13

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==

服务器收到HTTP请求报文，看到请求头的四个字段，会识别到WebSocket升级请求，会响应“101 Switching Protocols”报文，通知客户端，采用WebSocket协议通讯。

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Connection:Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Accept: Oy4NRAQ13jhfONC7bP8dTKb4PTU=

WebSocket的握手响应报文也有特殊格式，用字段“Sec-WebSocket-Accept” 验证客户端请求报文。

Sec-WebSocket-Accept的计算

Sec-WebSocket-Accept根据客户端请求首部的Sec-WebSocket-Key计算出来。

计算公式为：

将Sec-WebSocket-Key跟258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11拼接。
通过SHA1计算出摘要，并转成base64字符串。

const crypto = require('crypto');
const magic = '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11';
const secWebSocketKey = 'w4v7O6xFTi36lq3RNcgctw==';

let secWebSocketAccept = crypto.createHash('sha1')
	.update(secWebSocketKey + magic)
	.digest('base64');

console.log(secWebSocketAccept);
// Oy4NRAQ13jhfONC7bP8dTKb4PTU=

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总结

WebSocket协议：5分钟从入门到精通
The WebSocket Protocol