服务端使用c++实现websocket协议解析及通信

       WebSocket 设计出来的目的就是要使客户端浏览器具备像 C/S 架构下桌面系统的实时通讯能力。 浏览器通过 JavaScript 向服务器发出建立 WebSocket 连接的请求，连接建立以后，客户端和服务器端就可以通过 TCP 连接直接交换数据。因为 WebSocket 连接本质上就是一个 TCP 连接，所以在数据传输的稳定性和数据传输量的大小方面，和轮询以及 Comet 技术比较，具有很大的性能优势。下面是一个简单 Web 应用分别用轮询方式和 WebSocket 方式来实现，下面是测试结果图：

                                                 

       通过这张图可以清楚的看出，在流量和负载增大的情况下，WebSocket 方案相比传统的 Ajax 轮询方案有极大的性能优势。

       好了不过多介绍 WebSocket 了，更多介绍大家可以点击参考资料引用的链接查看，还是回到解析协议及通信上来。解析协议这种事，就得耐着性子，一个字节一个字节解析，按步骤一点一点写程序。不过读懂了文档，知道了每个字节的属性意义后，解析起来还是挺简单的。按照协议说明，一旦完成数据解码，那么编码就稍微容易一些，差不多就是解码的逆向操作了。服务端使用c++完成 WebSocket 通信，主要需要完成以下三方面编程：

       1. 服务端与h5客户端发起的 WebSocket 连接握手：

int wsHandshake(string &request, string &response)
{
    // 解析http请求头信息
    int ret = WS_STATUS_UNCONNECT;
    std::istringstream stream(request.c_str());
    std::string reqType;
    std::getline(stream, reqType);
    if (reqType.substr(0, 4) != "GET ")
    {
        return ret;
    }

    std::string header;
    std::string::size_type pos = 0;
    std::string websocketKey;
    while (std::getline(stream, header) && header != "\r")
    {
        header.erase(header.end() - 1);
        pos = header.find(": ", 0);
        if (pos != std::string::npos)
        {
            std::string key = header.substr(0, pos);
            std::string value = header.substr(pos + 2);
            if (key == "Sec-WebSocket-Key")
            {
                ret = WS_STATUS_CONNECT;
                websocketKey = value;
                break;
            }
        }
    }

    if (ret != WS_STATUS_CONNECT)
    {
        return ret;
    }

    // 填充http响应头信息
    response = "HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n";
    response += "Upgrade: websocket\r\n";
    response += "Connection: upgrade\r\n";
    response += "Sec-WebSocket-Accept: ";

    const std::string magicKey("258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11");
    std::string serverKey = websocketKey + magicKey;

    char shaHash[32];
    memset(shaHash, 0, sizeof(shaHash));
    sha1::calc(serverKey.c_str(), serverKey.size(), (unsigned char *) shaHash);
    serverKey = base64::base64_encode(std::string(shaHash)) + "\r\n\r\n";
    string strtmp(serverKey.c_str());
    response += strtmp;

    return ret;
}

       2. 完成握手后连接就建立了。然后就是接收h5客户端通过 WebSocket 发过来的数据帧并解码：

int wsDecodeFrame(string inFrame, string &outMessage)
{
    int ret = WS_OPENING_FRAME;
    const char *frameData = inFrame.c_str();
    const int frameLength = inFrame.size();
    if (frameLength < 2)
    {
        ret = WS_ERROR_FRAME;
    }

    // 检查扩展位并忽略
    if ((frameData[0] & 0x70) != 0x0)
    {
        ret = WS_ERROR_FRAME;
    }

    // fin位: 为1表示已接收完整报文, 为0表示继续监听后续报文
    ret = (frameData[0] & 0x80);
    if ((frameData[0] & 0x80) != 0x80)
    {
        ret = WS_ERROR_FRAME;
    }

    // mask位, 为1表示数据被加密
    if ((frameData[1] & 0x80) != 0x80)
    {
        ret = WS_ERROR_FRAME;
    }

    // 操作码
    uint16_t payloadLength = 0;
    uint8_t payloadFieldExtraBytes = 0;
    uint8_t opcode = static_cast(frameData[0] & 0x0f);
    if (opcode == WS_TEXT_FRAME)
    {
        // 处理utf-8编码的文本帧
        payloadLength = static_cast(frameData[1] & 0x7f);
        if (payloadLength == 0x7e)
        {
            uint16_t payloadLength16b = 0;
            payloadFieldExtraBytes = 2;
            memcpy(&payloadLength16b, &frameData[2], payloadFieldExtraBytes);
            payloadLength = ntohs(payloadLength16b);
        }
        else if (payloadLength == 0x7f)
        {
            // 数据过长,暂不支持
            ret = WS_ERROR_FRAME;
        }
    }
    else if (opcode == WS_BINARY_FRAME || opcode == WS_PING_FRAME || opcode == WS_PONG_FRAME)
    {
        // 二进制/ping/pong帧暂不处理
    }
    else if (opcode == WS_CLOSING_FRAME)
    {
        ret = WS_CLOSING_FRAME;
    }
    else
    {
        ret = WS_ERROR_FRAME;
    }

    // 数据解码
    if ((ret != WS_ERROR_FRAME) && (payloadLength > 0))
    {
        // header: 2字节, masking key: 4字节
        const char *maskingKey = &frameData[2 + payloadFieldExtraBytes];
        char *payloadData = new char[payloadLength + 1];
        memset(payloadData, 0, payloadLength + 1);
        memcpy(payloadData, &frameData[2 + payloadFieldExtraBytes + 4], payloadLength);
        for (int i = 0; i < payloadLength; i++)
        {
            payloadData[i] = payloadData[i] ^ maskingKey[i % 4];
        }

        outMessage = payloadData;
        delete[] payloadData;
    }

    return ret;
}

       3. 解码完数据帧，服务端做出相应处理后将结果按照 WebSocket 协议编码，然后发给h5客户端：

int wsEncodeFrame(string inMessage, string &outFrame, enum WS_FrameType frameType)
{
    int ret = WS_EMPTY_FRAME;
    const uint32_t messageLength = inMessage.size();
    if (messageLength > 32767)
    {
        // 暂不支持这么长的数据
        return WS_ERROR_FRAME;
    }

    uint8_t payloadFieldExtraBytes = (messageLength <= 0x7d) ? 0 : 2;
    // header: 2字节, mask位设置为0(不加密), 则后面的masking key无须填写, 省略4字节
    uint8_t frameHeaderSize = 2 + payloadFieldExtraBytes;
    uint8_t *frameHeader = new uint8_t[frameHeaderSize];
    memset(frameHeader, 0, frameHeaderSize);
    // fin位为1, 扩展位为0, 操作位为frameType
    frameHeader[0] = static_cast(0x80 | frameType);

    // 填充数据长度
    if (messageLength <= 0x7d)
    {
        frameHeader[1] = static_cast(messageLength);
    }
    else
    {
        frameHeader[1] = 0x7e;
        uint16_t len = htons(messageLength);
        memcpy(&frameHeader[2], &len, payloadFieldExtraBytes);
    }

    // 填充数据
    uint32_t frameSize = frameHeaderSize + messageLength;
    char *frame = new char[frameSize + 1];
    memcpy(frame, frameHeader, frameHeaderSize);
    memcpy(frame + frameHeaderSize, inMessage.c_str(), messageLength);
    frame[frameSize] = '\0';
    outFrame = frame;

    delete[] frame;
    delete[] frameHeader;
    return ret;
}

       4. 握手只需一次，随后反复执行第2步及第3步，就完成了服务端与h5客户端通信。这个只是c++版本的，可以很容易改成java版本的。下面是上述方法用到的一些枚举：

enum WS_Status
{
    WS_STATUS_CONNECT = 0,
    WS_STATUS_UNCONNECT = 1,
};

enum WS_FrameType
{
    WS_EMPTY_FRAME = 0xF0,
    WS_ERROR_FRAME = 0xF1,
    WS_TEXT_FRAME   = 0x01,
    WS_BINARY_FRAME = 0x02,
    WS_PING_FRAME = 0x09,
    WS_PONG_FRAME = 0x0A,
    WS_OPENING_FRAME = 0xF3,
    WS_CLOSING_FRAME = 0x08
};

       参考资料：

       https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/WebSockets_API/Writing_WebSocket_server

       https://www.ibm.com/developerworks/cn/web/1112_huangxa_websocket/