WebSocket的通信過程與實現(xiàn)方法詳解
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)端之間進行雙向數(shù)據(jù)傳輸。但它跟 HTTP 沒什么關(guān)系，它是基于 TCP 的一種獨立實現(xiàn)。
以前客戶端想知道服務(wù)端的處理進度，要不停地使用 Ajax 進行輪詢，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)器壓力較大。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。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信，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，WebSocket 已經(jīng)比較成熟了，并且各個主流瀏覽器對 WebSocket 的支持情況比較好（不兼容低版本 IE，IE 10 以下），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)的方法來進行。
下面我們就結(jié)合上圖具體來聊一下 WebSocket 的通信過程。
建立連接
客戶端請求報文 Header
客戶端請求報文：
GET / HTTP/1.1 Upgrade: websocket Connection: Upgrade Host: example.com Origin: http://example.com Sec-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：
<script type="text/javascript">
var ws;
var box = document.getElementById('box');
function startWS() {
ws = new WebSocket('ws://127.0.0.1:8001');
ws.onopen = function (msg) {
console.log('WebSocket opened!');
};
ws.onmessage = function (message) {
console.log('receive message: ' + message.data);
box.insertAdjacentHTML('beforeend', '<p>' + message.data + '</p>');
};
ws.onerror = function (error) {
console.log('Error: ' + error.name + error.number);
};
ws.onclose = function () {
console.log('WebSocket closed!');
};
}
function sendMessage() {
console.log('Sending a message...');
var text = document.getElementById('text');
ws.send(text.value);
}
window.onbeforeunload = function () {
ws.onclose = function () {}; // 首先關(guān)閉 WebSocket
ws.close()
};
</script>
服務(wù)端響應(yīng)報文 Header
首先我們來看看服務(wù)端的響應(yīng)報文：
HTTP/1.1 101 Switching Protocols Upgrade: websocket Connection: Upgrade Sec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk= Sec-WebSocket-Protocol: chat
我們一行行來解釋
- 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；
- 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；
- 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：
- 將 Sec-WebSocket-Key 跟 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 拼接；
- 通過 SHA1 計算出摘要，并轉(zhuǎn)成 base64 字符串。
注意：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()
進行通信
服務(wù)端解析 WebSocket 報文
Server 端接收到 Client 發(fā)來的報文需要進行解析
Client 包格式
FIN: 占 1bit
0：不是消息的最后一個分片
1：是消息的最后一個分片
RSV1, RSV2, RSV3：各占 1bit
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。
Opcode: 4bit
%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（text frame）；
%x2：表示這是一個二進制幀（binary 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：表示這是一個心跳請求（ping）；
%xA：表示這是一個心跳響應(yīng)（pong）；
%xB-F：保留的操作代碼，用于后續(xù)定義的控制幀。
Mask: 1bit
表示是否要對數(shù)據(jù)載荷進行掩碼異或操作。
0：否
1：是
Payload length: 7bit or (7 + 16)bit or (7 + 64)bit
表示數(shù)據(jù)載荷的長度
0~126：數(shù)據(jù)的長度等于該值；
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；
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。
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。
掩碼算法：按位做循環(huán)異或運算，先對該位的索引取模來獲得 Masking-key 中對應(yīng)的值 x，然后對該位與 x 做異或，從而得到真實的 byte 數(shù)據(jù)。
注意：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。
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：
| Format | C Type | Python type | Standard size |
|---|---|---|---|
| x | pad byte | no value | |
| c | char | bytes of length 1 | 1 |
| b | signed char | integer | 1 |
| B | unsigned char | integer | 1 |
| ? | _Bool | bool | 1 |
| h | short | integer | 2 |
| H | unsigned short | integer | 2 |
| i | int | integer | 4 |
| I | unsigned int | integer | 4 |
| l | long | integer | 4 |
| L | unsigned long | integer | 4 |
| q | long long | integer | 8 |
| Q | unsigned long long | integer | 8 |
| n | ssize_t | integer | |
| N | size_t | integer | |
| e | -7 | float | 2 |
| f | float | float | 4 |
| d | double | float | 8 |
| s | char[] | bytes | |
| p | char[] | bytes | |
| P | void * | integer |
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：
| Character | Byte order | Size | Alignment |
|---|---|---|---|
| @ | native | native | native |
| = | native | standard | none |
| < | little-endian | standard | none |
| > | big-endian | standard | none |
| ! | network (= big-endian) | standard | none |
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)全雙工傳輸?shù)募夹g(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：
- 多個用戶之間進行交互；
- 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。
參考文章
https://www.zhihu.com/question/20215561/answer/40316953
http://fullstackpython.atjiang.com/websockets.html
http://www.52im.net/thread-1341-1-1.html
總結(jié)
以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對腳本之家的支持。
- 使用spring的websocket創(chuàng)建通信服務(wù)的示例代碼
- PHP實現(xiàn)websocket通信的方法示例
- android利用websocket協(xié)議與服務(wù)器通信
- C# websocket及時通信協(xié)議的實現(xiàn)方法示例
- 使用 Spring Boot 實現(xiàn) WebSocket實時通信
- Spring Boot 開發(fā)私有即時通信系統(tǒng)（WebSocket）
- .NET實現(xiàn)WebSocket服務(wù)端即時通信實例
- WebSocket+node.js創(chuàng)建即時通信的Web聊天服務(wù)器
- Python通過websocket與js客戶端通信示例分析
- 在Android中使用WebSocket實現(xiàn)消息通信的方法詳解
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