websocket协议

websocket概念

HTML5开始提供的一种浏览器与服务器进行全双工通讯的网络技术，属于应用层协议。它基于TCP传输协议，并复用HTTP的握手通道。

优势

• 支持双向通道，时时通信
• 更好的支持二进制数据
• 较少的控制开销。
  1. 握手，创建链接
  2. 数据交换(数据帧)，每次通信不需要携带完整的请求头

创建连接

• 客户端：请求协议升级

  GET / HTTP/1.1
  Host: localhost:8080
  Origin: http://127.0.0.1:3000
  Connection: Upgrade
  Upgrade: websocket
  Sec-WebSocket-Version: 13
  Sec-WebSocket-Key: w4v7O6xFTi36lq3RNcgctw==
  

  • sec-websocket-key ：与服务端返回的sec-websocket-accept匹配，提供基本的防护，防止恶意or无意连接

• 服务端：响应协议升级

  HTTP/1.1 101 Switching Protocols
  Connection:Upgrade
  Upgrade: websocket
  Sec-WebSocket-Accept: Oy4NRAQ13jhfONC7bP8dTKb4PTU=
  

• Sec-WebSocket-Accept AS a 是根据客户端请求头的sec-websocket-key AS b 计算出来的

  1. c = b . “258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”
  2. a = base64encode( sha1( c ));

数据交换的数据帧格式

  0                   1                   2                   3
  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
 +-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
 |F|R|R|R| opcode|M| Payload len |    Extended payload length    |
 |I|S|S|S|  (4)  |A|     (7)     |             (16/64)           |
 |N|V|V|V|       |S|             |   (if payload len==126/127)   |
 | |1|2|3|       |K|             |                               |
 +-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +
 |     Extended payload length continued, if payload len == 127  |
 + - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+
 |                               |Masking-key, if MASK set to 1  |
 +-------------------------------+-------------------------------+
 | Masking-key (continued)       |          Payload Data         |
 +-------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - +
 :                     Payload Data continued ...                :
 + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +
 |                     Payload Data continued ...                |
 +---------------------------------------------------------------+

• FIN (1 BIT ) :
  1. data == 1 数据的最后一帧
  2. date == 0 非最后一帧
• 3个RSV(3 BIT ) 默认都是0
• opcode (4 BIT) ： 为什么用16进制数，因为一位16进制 0-f 刚好是 0-4Bit 0000-1111
  1. 0x0：表示此帧是一个延续帧，并且不是数据的第一帧
  2. 0x1：数据的第一帧，表示数据是文本格式传输
  3. 0x2：数据的第一帧，表示数据是二进制数据传输
  4. 0x3-0x7：保留自定义
  5. 0x8：表示连接断开
  6. 0x9：ping操作
  7. 0xa：pong操作
  8. 0xb - 0xf :保留自定义
• MASK（1 BIT）
  1. 客户端 请求 服务端一定 mask 必须 是1，必须对数据进行掩码操作， 否则服务端断开连接。所以会定义一个掩码键(masking-key 4字节),用这个键对数据载荷进行反掩码。所以数据帧的请求头最小 6 字节 前面定义的 1+3+4+1+4*8 =
  2. 服务端 响应 客户端不需要进行掩码操作
• payload length（7BIT or 7+16 BIT or 7+32 BIT）：数据载荷的长度，单位是字节
  1. 假设 payload-ength == x
  2. 0 < x < 126 : x就是数据的长度 7 BIT (1111100 == 125)
  3. x == 126 ：那么payload-length数据的后面2个字节(16位无符号整数)是数据的长度范围 2^16-1= 65535（字节）
  4. x == 127：那么payload-length数据的后面4个字节(32位无符号整数)是数据的长度范围 2^32 -1 = 4294967295（字节）
• masking-key（0 or 4字节）
  1. mask == 0 masking-key == 0（字节）
  2. mask == 1 masking-key == 4（字节）

数据传递

一旦WebSocket客户端、服务端建立连接后，后续的操作都是基于数据帧的传递。

WebSocket根据opcode来区分操作的类型。比如0x8表示断开连接，0x0-0x2表示数据交互。

数据分片

WebSocket的每条消息可能被切分成多个数据帧。当WebSocket的接收方收到一个数据帧时，会根据FIN的值来判断，是否已经收到消息的最后一个数据帧。

FIN=1表示当前数据帧为消息的最后一个数据帧，此时接收方已经收到完整的消息，可以对消息进行处理。FIN=0，则接收方还需要继续监听接收其余的数据帧。

此外，opcode在数据交换的场景下，表示的是数据的类型。0x01表示文本，0x02表示二进制。而0x00比较特殊，表示延续帧（continuation frame），顾名思义，就是完整消息对应的数据帧还没接收完。

数据分片例子

直接看例子更形象些。下面例子来自MDN，可以很好地演示数据的分片。客户端向服务端两次发送消息，服务端收到消息后回应客户端，这里主要看客户端往服务端发送的消息。

第一条消息

FIN=1, 表示是当前消息的最后一个数据帧。服务端收到当前数据帧后，可以处理消息。opcode=0x1，表示客户端发送的是文本类型。

第二条消息

1. FIN=0，opcode=0x1，表示发送的是文本类型，且消息还没发送完成，还有后续的数据帧。
2. FIN=0，opcode=0x0，表示消息还没发送完成，还有后续的数据帧，当前的数据帧需要接在上一条数据帧之后。
3. FIN=1，opcode=0x0，表示消息已经发送完成，没有后续的数据帧，当前的数据帧需要接在上一条数据帧之后。服务端可以将关联的数据帧组装成完整的消息。

Client: FIN=1, opcode=0x1, msg="hello"
Server: (process complete message immediately) Hi.
Client: FIN=0, opcode=0x1, msg="and a"
Server: (listening, new message containing text started)
Client: FIN=0, opcode=0x0, msg="happy new"
Server: (listening, payload concatenated to previous message)
Client: FIN=1, opcode=0x0, msg="year!"
Server: (process complete message) Happy new year to you too!

心跳连接

WebSocket为了保持客户端、服务端的实时双向通信，需要确保客户端、服务端之间的TCP通道保持连接没有断开。然而，对于长时间没有数据往来的连接，如果依旧长时间保持着，可能会浪费包括的连接资源。

1. 发送方 -》 接收方 opcode : PING
2. 接收方 -》 发送方 opcode：PONG

ping、pong的操作，对应的是WebSocket的两个控制帧，opcode分别是0x9、0xA。

举例，WebSocket服务端向客户端发送ping，只需要如下代码（采用ws模块）

ws.ping('', false, true);

巨人的肩膀:https://www.cnblogs.com/chyingp/p/websocket-deep-in.html