websocket协议原理的初步认识-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/u013862108/article/details/79273051

本文详细介绍了WebSocket协议的工作原理，包括连接建立过程、数据帧格式、数据交换方式及连接维护等内容，并提供了一个简单的PHP实现示例。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

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.youkuaiyun.com/sguniver_22/article/details/74273839

c语言实现websocket服务器：

http://blog.youkuaiyun.com/lell3538/article/details/60470558

细说webosokcet-php篇

https://www.cnblogs.com/hustskyking/p/websocket-with-php.html

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 )  )

php 代码如下：

// Calculation websocket key.
$new_key = \base64_encode(\sha1($Sec_WebSocket_Key . "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11", true));

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；

      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)     |             (16/63)           |
     |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: 如果是1，表示这是消息(message)的最后一个分片（fragment）,如果是0，表示不是消息（message）的最后一个分片（fragment）

Opcode: 4个比特。

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

        %x0 继续的  frame

        %x1 文本 frame

        %x2 二进制 frame

        %x3-7 被保留 for further non-control frames

        %x8  连接关闭 connection close

        %x9  ping

        %xA  pong

        %xB-F 被保留 for further control frames

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。

Payload length: 数据载荷的长度。 7位或 7 + 16 位或 7 + 64位。

假设 Payload length == x

x 为 0-126：数据长度为x字节.

x 为 126 ：后续2个字节代表一个16位无符号整数

x 为 127 ：后续8个字节代表一个64位无符号整数

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

六、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!

七、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

八、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）

九，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 php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！感谢原作者，

<?php
class WS {
	var $master;
	var $sockets = array();
	var $debug = false;
	var $handshake = false;

	function __construct($address, $port){
		$this->master=socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP)     or die("socket_create() failed");
		socket_set_option($this->master, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1)  or die("socket_option() failed");
		socket_bind($this->master, $address, $port)                    or die("socket_bind() failed");
		socket_listen($this->master,20)                                or die("socket_listen() failed");
		
		$this->sockets[] = $this->master;
		$this->say("Server Started : ".date('Y-m-d H:i:s'));
		$this->say("Listening on   : ".$address." port ".$port);
		$this->say("Master socket  : ".$this->master."\n");
		
		while(true){
			$socketArr = $this->sockets;
			$write = NULL;
			$except = NULL;
			socket_select($socketArr, $write, $except, NULL);  //自动选择来消息的socket 如果是握手 自动选择主机
			foreach ($socketArr as $socket){
				if ($socket == $this->master){  //主机
					$client = socket_accept($this->master);
					if ($client < 0){
						$this->log("socket_accept() failed");
						continue;
					} else{
						$this->connect($client);
					}
				} else {
					$this->log("^^^^");
					$bytes = @socket_recv($socket,$buffer,2048,0);
                    echo 'buffer:'.$buffer;
					$this->log("^^^^");
					if ($bytes == 0){
						$this->disConnect($socket);
					}
					else{
						if (!$this->handshake){
							$this->doHandShake($socket, $buffer);  //这个应该是 websocket 协议的握手
						}
						else{
							$buffer = $this->decode($buffer);    //客户端 ws.send 的数据 会执行她
							$this->send($socket, $buffer); 
						}
					}
				}
			}
		}
	}
	
	function send($client, $msg){
		$this->log("> " . $msg);
		$msg = $this->frame($msg);
		socket_write($client, $msg, strlen($msg));
		$this->log("! " . strlen($msg));
	}
	function connect($socket){
		array_push($this->sockets, $socket);
		$this->say("\n" . $socket . " CONNECTED!");
		$this->say(date("Y-n-d H:i:s"));
	}
	function disConnect($socket){
		$index = array_search($socket, $this->sockets);
		socket_close($socket);
		$this->say($socket . " DISCONNECTED!");
		if ($index >= 0){
			array_splice($this->sockets, $index, 1); 
		}
	}
	function doHandShake($socket, $buffer){
		$this->log("\nRequesting handshake...");
		$this->log($buffer);
		list($resource, $host, $origin, $key) = $this->getHeaders($buffer);
		$this->log("Handshaking...");
		$upgrade  = "HTTP/1.1 101 Switching Protocol\r\n" .
					"Upgrade: websocket\r\n" .
					"Connection: Upgrade\r\n" .
					"Sec-WebSocket-Accept: " . $this->calcKey($key) . "\r\n\r\n";  //必须以两个回车结尾
		$this->log($upgrade);
		$sent = socket_write($socket, $upgrade, strlen($upgrade));
		$this->handshake=true;
		$this->log("Done handshaking...");
		return true;
	}

	function getHeaders($req){
		$r = $h = $o = $key = null;
		if (preg_match("/GET (.*) HTTP/"              ,$req,$match)) { $r = $match[1]; }
		if (preg_match("/Host: (.*)\r\n/"             ,$req,$match)) { $h = $match[1]; }
		if (preg_match("/Origin: (.*)\r\n/"           ,$req,$match)) { $o = $match[1]; }
		if (preg_match("/Sec-WebSocket-Key: (.*)\r\n/",$req,$match)) { $key = $match[1]; }
		return array($r, $h, $o, $key);
	}

	function calcKey($key){
		//基于websocket version 13
		$accept = base64_encode(sha1($key . '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11', true));
		return $accept;
	}

	function decode($buffer) {
		$len = $masks = $data = $decoded = null;

        //含义： 数据的长度（不包含websocket的头）
		$len = ord($buffer[1]) & 127;  //取出tcp 包内容 的 8- 15 位 （或说 第二个字节）； 为什么要与& 127因为 索引8 的位置 代码 MASK位（占一位）

        echo 'len:',$len;
        echo 'size[2]:',ord($buffer[2]);
        echo 'size[3]:',ord($buffer[3]);
		if ($len === 126) {                // 126<=数据长度<= 65535   Extended payload length 有 占用2个字节
			$masks = substr($buffer, 4, 4); //帧格式 Masking-key 占用4字节
			$data = substr($buffer, 8);     //第九个字节（索引 8 ）开始 是数据
		} 
		else if ($len === 127) {          // 65535 <= 数据长度  ；Extended payload length 有 占用8个字节
			$masks = substr($buffer, 10, 4);  // 说明 Extended payload length 占用 8个字节 2 + 8 所以从 10开始
			$data = substr($buffer, 14);
		} 
		else {                             //长度小于126
			$masks = substr($buffer, 2, 4);
			$data = substr($buffer, 6);
		}
		for ($index = 0; $index < strlen($data); $index++) {
			$decoded .= $data[$index] ^ $masks[$index % 4];     //
		}

        echo 'decode:'.$decoded;
		return $decoded;
	}

	function frame($s){
		$a = str_split($s, 125);
		if (count($a) == 1){
			return "\x81" . chr(strlen($a[0])) . $a[0];   // \x81 转为二进制 1000 0001 ；将长度转换为：ascii 所指定的单个字符
		}
		$ns = "";
		foreach ($a as $o){                       //怎么感觉不对呢？
			$ns .= "\x81" . chr(strlen($o)) . $o;
		}
		return $ns;
	}

	
	function say($msg = ""){
		echo $msg . "\n";
	}
	function log($msg = ""){
		if ($this->debug){
			echo $msg . "\n";
		} 
	}
}
	

new WS('localhost', 4000);