什么是WebSocket？進(jìn)行通信解析 WebSocket 報文及實現(xiàn)

什么是 WebSocket ？

WebSocket 是一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，用于在客戶端和服務(wù)端之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。但它跟 HTTP 沒什么關(guān)系，它是一種基于 TCP 的一種獨立實現(xiàn)。

以前客戶端想知道服務(wù)端的處理進(jìn)度，要不停地使用 Ajax 進(jìn)行輪詢，讓瀏覽器隔個幾秒就向服務(wù)器發(fā)一次請求，這對服務(wù)器壓力較高。另外一種輪詢就是采用 long poll 的方式，這就跟打電話差不多，沒收到消息就一直不掛電話，也就是說，客戶端發(fā)起連接后，如果沒消息，就一直不返回 Response 給客戶端，連接階段一直是阻塞的。

而 WebSocket 解決了 HTTP 的這幾個難題。首先，當(dāng)服務(wù)器完成協(xié)議升級后（ HTTP -> WebSocket ），服務(wù)端可以主動推送信息給客戶端，解決了輪詢造成的同步延遲問題。由于 WebSocket 只需要一次 HTTP 握手，服務(wù)端就能一直與客戶端保持通訊，直到關(guān)閉連接，這樣就解決了服務(wù)器需要反復(fù)解析 HTTP 協(xié)議，減少了資源的開銷。

隨著新標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)，WebSocket 已經(jīng)比較成熟了，并且各個瀏覽器對 WebSocket 的支持情況比較好，有空可以看看。

使用 WebSocket 的時候，前端使用是比較規(guī)范的，js 支持 ws 協(xié)議，感覺類似于一個輕度封裝的 Socket 協(xié)議，只是以前需要自己維護 Socket 的連接，現(xiàn)在能夠以比較標(biāo)準(zhǔn)的方法來進(jìn)行。

客戶端請求報文及實現(xiàn)

客戶端請求報文：

GET / HTTP/1.1Upgrade: websocketConnection: UpgradeHost: example.comOrigin: http://example.comSec-WebSocket-Key: sN9cRrP/n9NdMgdcy2VJFQ==Sec-WebSocket-Version: 13

與傳統(tǒng) HTTP 報文不同的地方：

Upgrade: websocket Connection: Upgrade

這兩行表示發(fā)起的是 WebSocket 協(xié)議。

Sec-WebSocket-Key: sN9cRrP/n9NdMgdcy2VJFQ==Sec-WebSocket-Version: 13

Sec-WebSocket-Key是由瀏覽器隨機生成的，提供基本的防護，防止惡意或者無意的連接。

Sec-WebSocket-Version表示 WebSocket 的版本，最初 WebSocket 協(xié)議太多，不同廠商都有自己的協(xié)議版本，不過現(xiàn)在已經(jīng)定下來了。如果服務(wù)端不支持該版本，需要返回一個Sec-WebSocket-Versionheader，里面包含服務(wù)端支持的版本號。

創(chuàng)建 WebSocket 對象：

var ws = new websocket("ws://127.0.0.1:8001");

ws 表示使用 WebSocket 協(xié)議，后面接地址及端口

完整的客戶端代碼：

服務(wù)端響應(yīng)報文及實現(xiàn)

首先我們來看看服務(wù)端的響應(yīng)報文

HTTP/1.1 101 Switching ProtocolsUpgrade: websocketConnection: UpgradeSec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk=Sec-WebSocket-Protocol: chat

我們一行行來解釋

1、首先，101 狀態(tài)碼表示服務(wù)器已經(jīng)理解了客戶端的請求，并將通過Upgrade消息頭通知客戶端采用不同的協(xié)議來完成這個請求；

2、然后，Sec-WebSocket-Accept這個則是經(jīng)過服務(wù)器確認(rèn)，并且加密過后的Sec-WebSocket-Key；

3、最后，Sec-WebSocket-Protocol則是表示最終使用的協(xié)議。

Sec-WebSocket-Accept的計算方法：

1、將Sec-WebSocket-Key跟 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 拼接；

2、通過 SHA1 計算出摘要，并轉(zhuǎn)成 base64 字符串。

PS：Sec-WebSocket-Key/Sec-WebSocket-Accept的換算，只能帶來基本的保障，但連接是否安全、數(shù)據(jù)是否安全、客戶端 / 服務(wù)端是否合法的 ws 客戶端、ws 服務(wù)端，其實并沒有實際性的保證。

創(chuàng)建主線程，用于實現(xiàn)接受 WebSocket 建立請求：

def create_socket():
# 啟動 Socket 并監(jiān)聽連接 sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) try:
sock.bind(('127.0.0.1', 8001))
# 操作系統(tǒng)會在服務(wù)器 Socket 被關(guān)閉或服務(wù)器進(jìn)程終止后馬上釋放該服務(wù)器的端口，否則操作系統(tǒng)會保留幾分鐘該端口。
sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
sock.listen(5)
except Exception as e:
logging.error(e)
return
else:
logging.info('Server running...') # 等待訪問
while True:
conn, addr = sock.accept() # 此時會進(jìn)入 waiting 狀態(tài)
data = str(conn.recv(1024))
logging.debug(data)
header_dict = {}
header, _ = data.split(r'\r\n\r\n', 1)
for line in header.split(r'\r\n')[1:]:
key, val = line.split(': ', 1)
header_dict[key] = val
if 'Sec-WebSocket-Key' not in header_dict:
logging.error('This socket is not websocket, client close.')
conn.close()
return
magic_key = '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11'
sec_key = header_dict['Sec-WebSocket-Key'] + magic_key
key = base64.b64encode(hashlib.sha1(bytes(sec_key, encoding='utf-8')).digest())
key_str = str(key)[2:30]
logging.debug(key_str)
response = 'HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n' \
'Connection: Upgrade\r\n' \
'Upgrade: websocket\r\n' \
'Sec-WebSocket-Accept: {0}\r\n' \
'WebSocket-Protocol: chat\r\n\r\n'.format(key_str)
conn.send(bytes(response, encoding='utf-8'))
logging.debug('Send the handshake data')
WebSocketThread(conn).start()

進(jìn)行通信解析 WebSocket 報文及實現(xiàn)

Server 端接收到瀏覽器發(fā)來的報文需要進(jìn)行解析

瀏覽器包格式

1、FIN: 占 1 個 bit

0：不是消息的最后一個分片1：是消息的最后一個分片

2、RSV1, RSV2, RSV3：各占 1 個 bit

一般情況下全為 0。當(dāng)客戶端、服務(wù)端協(xié)商采用 WebSocket 擴展時，這三個標(biāo)志位可以非0，且值的含義由擴展進(jìn)行定義。如果出現(xiàn)非零的值，且并沒有采用 WebSocket 擴展，連接出錯。

3、Opcode: 4 個 bit

%x0：表示一個延續(xù)幀。當(dāng) Opcode 為 0 時，表示本次數(shù)據(jù)傳輸采用了數(shù)據(jù)分片，當(dāng)前收到的數(shù)據(jù)幀為其中一個數(shù)據(jù)分片；%x1：表示這是一個文本幀（frame）；%x2：表示這是一個二進(jìn)制幀（frame）；%x3-7：保留的操作代碼，用于后續(xù)定義的非控制幀；%x8：表示連接斷開；%x9：表示這是一個 ping 操作；%xA：表示這是一個 pong 操作；%xB-F：保留的操作代碼，用于后續(xù)定義的控制幀。

4、Mask: 1 個 bit

表示是否要對數(shù)據(jù)載荷進(jìn)行掩碼異或操作。0：否1：是

5、Payload length: 7bit or 7 + 16bit or 7 + 64bit

表示數(shù)據(jù)載荷的長度x為 0~126：數(shù)據(jù)的長度為x字節(jié)；x為 126：后續(xù) 2 個字節(jié)代表一個 16 位的無符號整數(shù)，該無符號整數(shù)的值為數(shù)據(jù)的長度；x為 127：后續(xù) 8 個字節(jié)代表一個 64 位的無符號整數(shù)（最高位為 0），該無符號整數(shù)的值為數(shù)據(jù)的長度。

6、Masking-key: 0 or 4bytes

當(dāng) Mask 為 1，則攜帶了 4 字節(jié)的 Masking-key；當(dāng) Mask 為 0，則沒有 Masking-key。PS：掩碼的作用并不是為了防止數(shù)據(jù)泄密，而是為了防止早期版本的協(xié)議中存在的代理緩存污染攻擊（proxy cache poisoning attacks）等問題。

7、Payload Data: 載荷數(shù)據(jù)

解析 WebSocket 報文代碼如下：

def read_msg(data):
logging.debug(data)
msg_len = data[1] & 127 # 數(shù)據(jù)載荷的長度
if msg_len == 126:
mask = data[4:8] # Mask 掩碼
content = data[8:] # 消息內(nèi)容
elif msg_len == 127:
mask = data[10:14]
content = data[14:]
else:
mask = data[2:6]
content = data[6:]
raw_str = '' # 解碼后的內(nèi)容 for i, d in enumerate(content):
raw_str += chr(d ^ mask[i % 4])
return raw_str

服務(wù)端發(fā)送 WebSocket 報文

返回時不攜帶掩碼，所以 Mask 位為 0，再按載荷數(shù)據(jù)的大小寫入長度，最后寫入載荷數(shù)據(jù)。

struct 模塊解析

struct.pack(fmt, v1, v2, ...)

按照給定的格式 (fmt)，把數(shù)據(jù)封裝成字符串 ( 實際上是類似于 c 結(jié)構(gòu)體的字節(jié)流 )

struct 中支持的格式如下表：

為了同 C 語言中的結(jié)構(gòu)體交換數(shù)據(jù)，還要考慮有的 C 或 C++ 編譯器使用了字節(jié)對齊，通常是以 4 個字節(jié)為單位的 32 位系統(tǒng)，故而 struct 根據(jù)本地機器字節(jié)順序轉(zhuǎn)換?？梢杂酶袷街械牡谝粋€字符來改變對齊方式，定義如下：

發(fā)送 WebSocket 報文代碼如下：

def write_msg(message):
data = struct.pack('B', 129) # 寫入第一個字節(jié)，10000001
# 寫入包長度 msg_len = len(message) if msg_len <= 125: ? ? ?
data += struct.pack('B', msg_len)
elif msg_len <= (2 ** 16 - 1): ? ? ?
data += struct.pack('!BH', 126, msg_len) elif msg_len <= (2 ** 64 - 1): ?
data += struct.pack('!BQ', 127, msg_len)
else:
logging.error('Message is too long!')
return
data += bytes(message, encoding='utf-8')
# 寫入消息內(nèi)容
logging.debug(data) return data

總結(jié)

沒有其他能像 WebSocket 一樣實現(xiàn)雙向通信的技術(shù)了，迄今為止，大部分開發(fā)者還是使用 Ajax 輪詢來實現(xiàn)，但這是個不太優(yōu)雅的解決辦法，WebSocket 雖然用的人不多，可能是因為協(xié)議剛出來的時候有安全性的問題以及兼容的瀏覽器比較少，但現(xiàn)在都有解決。如果你有這些需求可以考慮使用 WebSocket：

1 、多個用戶之間進(jìn)行交互；

2、需要頻繁地向服務(wù)端請求更新數(shù)據(jù)。

比如彈幕、消息訂閱、多玩家游戲、協(xié)同編輯、股票基金實時報價、視頻會議、在線教育等需要高實時的場景。