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，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(std::string &request, std::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(std::string inFrame, std::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(std::string inMessage, std::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


};