【计算机网络】WebSocket实现原理分析

2023-07-30 09:07:16

1.介绍一下websocket和通信过程？

1.1 基本概念

[!NOTE]

Websocket是应用层第七层上的一个应用层协议，它必须依赖 HTTP 协议进行一次握手，握手成功后，数据就直接从 TCP 通道传输，与 HTTP 无关了。即：websocket分为握手和数据传输阶段，即进行了HTTP握手 + 双工的TCP连接。

1.2 通信过程

下面我们分别来看一下这两个阶段的具体实现原理：

1.2.1 握手阶段

客户端发送消息：

GET /chat HTTP/1.1

Host: server.example.com

Upgrade: websocket

Connection: Upgrade

Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==

Origin: http://example.com

Sec-WebSocket-Version: 13

服务端返回消息：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols

Upgrade: websocket

Connection: Upgrade

Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

这里值得注意的是Sec-WebSocket-Accept的计算方法：

base64(hsa1(sec-websocket-key + 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11))

如果这个Sec-WebSocket-Accept计算错误浏览器会提示：Sec-WebSocket-Accept dismatch

如果返回成功，Websocket就会回调onopen事件

1.2.2 传输阶段

[!NOTE]

Websocket的数据传输是frame形式传输的，比如会将一条消息分为几个frame，按照先后顺序传输出去。

这样做会有几个好处：

a、大数据的传输可以分片传输，不用考虑到数据大小导致的长度标志位不足够的情况。
b、和http的chunk一样，可以边生成数据边传递消息，即提高传输效率。

websocket传输使用的协议参数说明如下：

FIN：1位，用来表明这是一个消息的最后的消息片断，当然第一个消息片断也可能是最后的一个消息片断；

RSV1, RSV2, RSV3: 分别都是1位，如果双方之间没有约定自定义协议，那么这几位的值都必须为0,否则必须断掉WebSocket连接；

Opcode: 4位操作码，定义有效负载数据，如果收到了一个未知的操作码，连接也必须断掉，以下是定义的操作码：

%x0 表示连续消息片断
%x1 表示文本消息片断
%x2 表未二进制消息片断
%x3-7 为将来的非控制消息片断保留的操作码
%x8 表示连接关闭
%x9 表示心跳检查的ping
%xA 表示心跳检查的pong
%xB-F 为将来的控制消息片断的保留操作码

[!NOTE]

Mask: 1位，定义传输的数据是否有加掩码,如果设置为1,掩码键必须放在masking-key区域，客户端发送给服务端的所有消息，此位的值都是1；

Payload length: 传输数据的长度，以字节的形式表示：7位、7+16位、或者7+64位。如果这个值以字节表示是0-125这个范围，那这个值就表示传输数据的长度；如果这个值是126，则随后的两个字节表示的是一个16进制无符号数，用来表示传输数据的长度；如果这个值是127,则随后的是8个字节表示的一个64位无符合数，这个数用来表示传输数据的长度。多字节长度的数量是以网络字节的顺序表示。负载数据的长度为扩展数据及应用数据之和，扩展数据的长度可能为0,因而此时负载数据的长度就为应用数据的长度。

Masking-key: 0或4个字节，客户端发送给服务端的数据，都是通过内嵌的一个32位值作为掩码的；掩码键只有在掩码位设置为1的时候存在。

Payload data: (x+y)位，负载数据为扩展数据及应用数据长度之和。

Extension data: x位，如果客户端与服务端之间没有特殊约定，那么扩展数据的长度始终为0，任何的扩展都必须指定扩展数据的长度，或者长度的计算方式，以及在握手时如何确定正确的握手方式。如果存在扩展数据，则扩展数据就会包括在负载数据的长度之内。

Application data: y位，任意的应用数据，放在扩展数据之后，应用数据的长度=负载数据的长度-扩展数据的长度。

2. Websocket传输文件的思路？（加分项）

服务器端侦听某端口，接受WebSocket请求，后面可用nginx作反向代理，外部看到的将是80端口
客户端连接服务器的WebSocket地址，连接成功后，首先传送一个NEW_FILE的数据包，里面带上要传输的文件名
服务器端收到NEW_FILE包后，解析出文件名，并创建目标文件，再回复ACK_NEW_FILE的数据包
客户端收到ACK_NEW_FILE的数据包后，检查回应的code，如是成功码，则启动一个线程，该线程负责将源文件的数据封装成多个FILE_DATA数据包，传送这些FILE_DATA数据至服务器端
服务器端接收FILE_DATA数据包，解析出里面的文件数据，将文件数据写入文件
客户端发送完源文件数据后，再传送一个FILE_END数据包，该文件包中带上源文件的MD5值
服务器端收到FILE_END数据包后，比对源文件的MD5值与目标文件的MD5值，如相同，则认为传输成功，并返回ACK_FILE_END数据包，里面带上成功码
客户端收到ACK_FILE_END数据包，检查回应的code，如是成功码，则认为传输成功，否则认为传输失败

3. Websocket是什么样的协议，具体有什么优点？

3.1 基本介绍

首先，Websocket是一个持久化的协议，相对于HTTP这种非持久的协议来说。简单的举个例子吧，用目前应用比较广泛的PHP生命周期来解释。
HTTP的生命周期通过 Request 来界定，也就是一个 Request 一个 Response ，那么在 HTTP1.0 中，这次HTTP请求就结束了。
在HTTP1.1中进行了改进，使得有一个keep-alive，也就是说，在一个HTTP连接中，可以发送多个Request，接收多个Response。但是请记住 Request = Response ，在HTTP中永远是这样，也就是说一个request只能有一个response。而且这个response也是被动的，不能主动发起。
Websocket是基于HTTP协议的，或者说借用了HTTP的协议来完成一部分握手。

3.2 细节介绍

首先我们来看个典型的 Websocket 握手（借用Wikipedia的。。）

    GET /chat HTTP/1.1

    Host: server.example.com

    Upgrade: websocket

    Connection: Upgrade

    Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==

    Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat

    Sec-WebSocket-Version: 13

Origin: http://example.com

熟悉HTTP的童鞋可能发现了，这段类似HTTP协议的握手请求中，多了几个东西。我会顺便讲解下作用。

Upgrade: websocket

Connection: Upgrade

这个就是Websocket的核心了，告诉 Apache 、 Nginx 等服务器：注意啦，我发起的是Websocket协议，快点帮我找到对应的助理处理~不是那个老土的HTTP。

Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==

Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat

Sec-WebSocket-Version: 13

首先， Sec-WebSocket-Key 是一个 Base64 encode 的值，这个是浏览器随机生成的，告诉服务器：泥煤，不要忽悠窝，我要验证尼是不是真的是Websocket助理。

然后， Sec_WebSocket-Protocol 是一个用户定义的字符串，用来区分同URL下，不同的服务所需要的协议。简单理解：今晚我要服务A，别搞错啦~

最后， Sec-WebSocket-Version 是告诉服务器所使用的 Websocket Draft（协议版本），在最初的时候，Websocket协议还在 Draft 阶段，各种奇奇怪怪的协议都有，而且还有很多期奇奇怪怪不同的东西，什么Firefox和Chrome用的不是一个版本之类的，当初Websocket协议太多可是一个大难题。。不过现在还好，已经定下来啦_{大家都使用的一个东西} 脱水：服务员，我要的是13岁的噢→_→

然后服务器会返回下列东西，表示已经接受到请求，成

功建立Websocket啦！

HTTP/1.1 101 Switching Protocols

Upgrade: websocket

Connection: Upgrade

Sec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk=

Sec-WebSocket-Protocol: chat

这里开始就是HTTP最后负责的区域了，告诉客户，我已经成功切换协议啦~

Upgrade: websocket

Connection: Upgrade

依然是固定的，告诉客户端即将升级的是 Websocket 协议，而不是mozillasocket，lurnarsocket或者shitsocket。

然后， Sec-WebSocket-Accept 这个则是经过服务器确认，并且加密过后的 Sec-WebSocket-Key 。服务器：好啦好啦，知道啦，给你看我的ID CARD来证明行了吧。。

后面的， Sec-WebSocket-Protocol 则是表示最终使用的协议。

至此，HTTP已经完成它所有工作了，接下来就是完全按照Websocket协议进行了。具体的协议就不在这阐述了。

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