WEBSOCKET学习笔记

项目背景

最近在做物联网嵌入式产品，网络协议需要使用到WEBSOCKET协议来通讯，为了实现这个功能，决定用 C语言写一个这个协议，以便在低成本的硬件环境下实现WEBSOCKET通讯功能。

以下内容，多数来自于网络，进行了排版总结。

本文参考文档：
https://www.amobbs.com/thread-5587801-1-1.html?_dsign=7c3738b7
https://www.runoob.com/html/html5-websocket.html
https://baike.baidu.com/item/base64/8545775?fr=aladdin

WEBSOCKET概念

WebSocket 是 HTML5 开始提供的一种在单个 TCP 连接上进行全双工通讯的协议。
在 WebSocket API 中，浏览器和服务器只需要做一个握手的动作，然后，浏览器和服务器之间就形成了一条快速通道。两者之间就直接可以数据互相传送。

Websocket 使用 ws 或 wss 的统一资源标志符，类似于 HTTPS，其中 wss 表示在 TLS 之上的 Websocket。

Websocket 使用和 HTTP 相同的 TCP 端口，可以绕过大多数防火墙的限制。默认情况下，Websocket 协议使用 80 端口；运行在 TLS 之上时，默认使用 443 端口。

WEBSOCKET的握手

WEBSOCKET使用HTTP来握手：

一个握手的例子：

客户端请求：

GET / HTTP/1.1
Upgrade: websocket  //表示希望升级到 Websocket 协议。
Connection: Upgrade  //表示客户端希望连接升级
Host: example.com
Origin: http://example.com //可选的，通常用来表示在浏览器中发起此 Websocket 连接所在的页面

/*
是随机的字符串，服务器端会用这些数据来构造出一个 SHA-1 的信息摘要。把 “Sec-WebSocket-Key” 
加上一个特殊字符串 “258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”，然后计算 SHA-1 摘要，之后
进行 BASE-64 编码，将结果做为 “Sec-WebSocket-Accept” 头的值，返回给客户端。如此操作，可
以尽量避免普通 HTTP 请求被误认为 Websocket 协议
*/
Sec-WebSocket-Key: sN9cRrP/n9NdMgdcy2VJFQ==  


Sec-WebSocket-Version: 13 // 表示支持的 Websocket 版本。RFC6455 要求使用的版本是 13，之前草案的版本均应当弃用。

服务器回应：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols   //101代表协议切换成功
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: fFBooB7FAkLlXgRSz0BT3v4hq5s=  //这个是根据Sec-WebSocket-Key算出来的
Sec-WebSocket-Location: ws://example.com/

SHA-1 与 BASE-64 编码：

SHA-1比较复杂，可以直接搜到C语言库来实现

BASE-64 编码规则：
①.把3个字节变成4个字节。
②每76个字符加一个换行符。
③.最后的结束符也要处理。

举例
转换前 11111111, 11111111, 11111111 （二进制）
转换后 00111111, 00111111, 00111111, 00111111 （二进制）
转换后，我们用一个码表来得到我们想要的字符串（也就是最终的Base64编码）

数据通讯

握手完成后就可以数据通讯了，在 WebSocket 协议中，数据使用帧序列来传输。为避免混淆网络中间件（例如拦截代理）和出于安全原因，第 10.3 节进一步讨论，客户端必须掩码（mask）它发送到服务器的所有帧（更多详细信息请参见 5.3 节）。
当收到一个没有掩码的帧时，服务器 必须关闭连接。
服务器必须不掩码发送到客户端的所有帧。如果客户端检测到掩码的帧，它必须关闭连接。

基本帧协议

借用某论坛大神的图与示例数据

比如收到一帧数据：
82 8a 2c ab b0 f2 28 af b1 52 9c、ab、b0、f2、2c、ab

那么82 8a代表 fin为1，二进制帧 ，有4个掩护码（2c ab b0 f2） ，数据长度为10

数据为：
28、AF、B1、52、9C、AB、B0、F2、2C、AB。

解码后的数据：
04 （28 ^ 2c）、04 （AF ^ ab）、01 （B1 ^ b0） 、A0 （52 ^ f2）、B0 （9C ^ 2c）、00 (AB ^ AB)、00 ( b0 ^ b0)、00 ( f2 ^ f2)、00 （2c ^ 2c）、00 (AB ^ AB)。

停止通讯

浏览器关闭时多数没有发送关闭帧，而是采用TCP来关闭，除IE浏览器主动发送pong帧保持心跳，其他浏览器采用TCP保持心跳。