WebSocket的实现原理(1)

一、什么是websocket

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

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。

1. 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

下面我们分别来看一下这两个阶段的具体实现原理：

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

２、传输阶段

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传输使用的协议如下图：

参数说明如下：

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
  

• 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。

3、优点

（1）建立在 TCP 协议之上，服务器端的实现比较容易。

（2）与 HTTP 协议有着良好的兼容性。默认端口也是80和443，并且握手阶段采用 HTTP 协议，因此握手时不容易屏蔽，能通过各种 HTTP 代理服务器。

（3）数据格式比较轻量，性能开销小，通信高效。

（4）可以发送文本，也可以发送二进制数据。

（5）没有同源限制，客户端可以与任意服务器通信。

（6）协议标识符是ws（如果加密，则为wss），服务器网址就是 URL。