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WebSocket 상세 소개

小云云
小云云원래의
2018-01-25 14:02:235249검색
네트워크 애플리케이션을 구축하는 과정에서 양 당사자의 정보를 동기화하기 위해 서버와 지속적으로 통신해야 하는 경우가 많습니다. 일반적으로 이러한 종류의 지속적인 통신은 페이지를 새로 고치지 않고 수행되며 일정량의 메모리 리소스를 소비하고 백그라운드에 머물며 사용자에게 보이지 않습니다. WebSocket이 등장하기 전에는 다음과 같은 솔루션이 있었습니다.

전통적인 폴링

일반적으로 setInterval 또는 setTimeout 구현을 사용하는 현재 웹 애플리케이션에서 보다 일반적인 연속 통신 방법입니다. 예를 들어 페이지의 데이터를 정기적으로 얻고 새로 고치려면 Ajax를 결합하여 다음 구현을 작성할 수 있습니다. setInterval 或者 setTimeout 实现。例如如果我们想要定时获取并刷新页面上的数据，可以结合Ajax写出如下实现：

setInterval(function() {
    $.get("/path/to/server", function(data, status) {
        console.log(data);
    });
}, 10000);

上面的程序会每隔10秒向服务器请求一次数据，并在数据到达后存储。这个实现方法通常可以满足简单的需求，然而同时也存在着很大的缺陷：在网络情况不稳定的情况下，服务器从接收请求、发送请求到客户端接收请求的总时间有可能超过10秒，而请求是以10秒间隔发送的，这样会导致接收的数据到达先后顺序与发送顺序不一致。于是出现了采用 setTimeout 的轮询方式：

function poll() {
    setTimeout(function() {
        $.get("/path/to/server", function(data, status) {
            console.log(data);
            // 发起下一次请求
            poll();
        });
    }, 10000);
}

程序首先设置10秒后发起请求，当数据返回后再隔10秒发起第二次请求，以此类推。这样的话虽然无法保证两次请求之间的时间间隔为固定值，但是可以保证到达数据的顺序。

长轮询(Long Polling)

上面两种传统的轮询方式都存在一个严重缺陷：程序在每次请求时都会新建一个HTTP请求，然而并不是每次都能返回所需的新数据。当同时发起的请求达到一定数目时，会对服务器造成较大负担。这时我们可以采用长轮询方式解决这个问题。

长轮询与以下将要提到的服务器发送事件和WebSocket不能仅仅依靠客户端JavaScript实现，我们同时需要服务器支持并实现相应的技术。

长轮询的基本思想是在每次客户端发出请求后，服务器检查上次返回的数据与此次请求时的数据之间是否有更新，如果有更新则返回新数据并结束此次连接，否则服务器 hold 住此次连接，直到有新数据时再返回相应。而这种长时间的保持连接可以通过设置一个较大的 HTTP timeout` 实现。下面是一个简单的长连接示例：

服务器（PHP）：

<?php
    // 示例数据为data.txt
    $filename= dirname(__FILE__)."/data.txt";
    // 从请求参数中获取上次请求到的数据的时间戳
    $lastmodif = isset( $_GET["timestamp"])? $_GET["timestamp"]: 0 ;
    // 将文件的最后一次修改时间作为当前数据的时间戳
    $currentmodif = filemtime($filename);

    // 当上次请求到的数据的时间戳*不旧于*当前文件的时间戳，使用循环"hold"住当前连接，并不断获取文件的修改时间
    while ($currentmodif <= $lastmodif) {
        // 每次刷新文件信息的时间间隔为10秒
        usleep(10000);
        // 清除文件信息缓存，保证每次获取的修改时间都是最新的修改时间
        clearstatcache();
        $currentmodif = filemtime($filename);
    }

    // 返回数据和最新的时间戳，结束此次连接
    $response = array();
    $response["msg"] =Date("h:i:s")." ".file_get_contents($filename);
    $response["timestamp"]= $currentmodif;
    echo json_encode($response);
?>

客户端：

function longPoll (timestamp) {
    var _timestamp;
    $.get("/path/to/server?timestamp=" + timestamp)
    .done(function(res) {
        try {
            var data = JSON.parse(res);
            console.log(data.msg);
            _timestamp = data.timestamp;
        } catch (e) {}
    })
    .always(function() {
        setTimeout(function() {
            longPoll(_timestamp || Date.now()/1000);
        }, 10000);
    });
}

长轮询可以有效地解决传统轮询带来的带宽浪费，但是每次连接的保持是以消耗服务器资源为代价的。尤其对于Apache+PHP 服务器，由于有默认的 worker threads 数目的限制，当长连接较多时，服务器便无法对新请求进行相应。

服务器发送事件(Server-Sent Event)

服务器发送事件（以下简称SSE）是HTML 5规范的一个组成部分，可以实现服务器到客户端的单向数据通信。通过 SSE ，客户端可以自动获取数据更新，而不用重复发送HTTP请求。一旦连接建立，“事件”便会自动被推送到客户端。服务器端SSE通过 事件流(Event Stream) 的格式产生并推送事件。事件流对应的 MIME类型 为 text/event-stream ，包含四个字段：event、data、id和retry。event表示事件类型，data表示消息内容，id用于设置客户端 EventSource 对象的 last event ID string 内部属性，retry指定了重新连接的时间。

服务器（PHP）：

<?php
    header("Content-Type: text/event-stream");
    header("Cache-Control: no-cache");
    // 每隔1秒发送一次服务器的当前时间
    while (1) {
        $time = date("r");
        echo "event: ping\n";
        echo "data: The server time is: {$time}\n\n";
        ob_flush();
        flush();
        sleep(1);
    }
?>

客户端中，SSE借由 EventSource 对象实现。EventSource 包含五个外部属性：onerror, onmessage, onopen, readyState、url，以及两个内部属性：reconnection time与 last event ID string。在onerror属性中我们可以对错误捕获和处理，而 onmessage 则对应着服务器事件的接收和处理。另外也可以使用 addEventListener 方法来监听服务器发送事件，根据event字段区分处理。

客户端：

var eventSource = new EventSource("/path/to/server");
eventSource.onmessage = function (e) {
    console.log(e.event, e.data);
}
// 或者
eventSource.addEventListener("ping", function(e) {
    console.log(e.event, e.data);
}, false);

SSE相较于轮询具有较好的实时性，使用方法也非常简便。然而SSE只支持服务器到客户端单向的事件推送，而且所有版本的IE（包括到目前为止的Microsoft Edge）都不支持SSE。如果需要强行支持IE和部分移动端浏览器，可以尝试 EventSource Polyfill

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13
위 프로그램은 10초마다 서버에 데이터를 요청하고 데이터가 도착한 후 데이터를 저장합니다. 이 구현 방법은 일반적으로 간단한 요구 사항을 충족할 수 있지만 중대한 결함도 있습니다. 네트워크 상황이 불안정할 경우 요청을 받는 서버에서 요청을 받는 클라이언트로 요청을 보내는 데 걸리는 총 시간은 10초를 초과할 수 있습니다. 10초 간격으로 전송되므로 수신된 데이터의 도착 순서가 전송 순서와 일치하지 않게 됩니다. 그래서 setTimeout을 사용하는 폴링 방법이 나타났습니다. 

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
Sec-WebSocket-Protocol: chat
프로그램은 먼저 10초 후에 요청을 설정한 다음 데이터가 반환된 후 10초마다 두 번째 요청을 시작하는 식입니다. 이 경우 두 요청 사이의 시간 간격이 고정된 값이라고 보장할 수는 없지만 데이터가 도착하는 순서는 보장할 수 있습니다. WebSocket 상세 소개Long Polling🎜위의 두 가지 기존 폴링 방법에는 모두 심각한 결함이 있습니다. 프로그램은 요청될 때마다 새 HTTP 요청을 생성하지만 매번 필요한 새 데이터를 반환하지 않습니다. 동시에 시작된 요청 수가 일정 개수에 도달하면 서버에 더 큰 부담을 주게 됩니다. 이때 우리는 이 문제를 해결하기 위해 긴 폴링을 사용할 수 있습니다. 🎜🎜아래에 언급된 롱 폴링과 서버 전송 이벤트 및 WebSocket은 클라이언트 측 JavaScript만으로는 구현할 수 없습니다. 또한 서버 지원 및 해당 기술 구현이 필요합니다. 🎜🎜롱 폴링의 기본 아이디어는 클라이언트가 요청할 때마다 서버가 지난번에 반환된 데이터와 이번 요청 당시의 데이터 사이에 업데이트가 있는지 확인하는 것입니다. 새로운 데이터를 반환하고 연결을 종료합니다. 그렇지 않으면 서버hold는 새 데이터가 있을 때까지 이 연결을 유지한 다음 응답을 반환합니다. 이 장기 연결은 HTTP 시간 초과`를 더 크게 설정하여 달성할 수 있습니다. 다음은 간단한 긴 연결의 예입니다. 🎜🎜서버(PHP): 🎜
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==
🎜클라이언트: 🎜
HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Connection:Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Accept: Oy4NRAQ13jhfONC7bP8dTKb4PTU=
🎜긴 폴링은 기존 폴링으로 인한 대역폭 낭비를 효과적으로 해결할 수 있지만 각 연결의 유지 관리에는 서버 비용이 많이 듭니다. 자원. 특히 Apache+PHP 서버의 경우 기본 작업자 스레드 수로 인해 긴 연결이 많으면 서버가 새 요청에 응답할 수 없습니다. 🎜🎜Server-Sent Event🎜🎜Server-Sent Event(이하 SSE)는 HTML 5 사양의 필수 부분이며 서버에서 클라이언트로의 단방향 데이터 통신을 구현할 수 있습니다. SSE를 사용하면 클라이언트는 반복적인 HTTP 요청을 보내지 않고도 자동으로 데이터 업데이트를 받을 수 있습니다. 연결이 설정되면 "이벤트"가 자동으로 클라이언트에 푸시됩니다. 서버 측 SSE는 이벤트 스트림 형식으로 이벤트를 생성하고 푸시합니다. 이벤트 스트림에 해당하는 MIME 유형은 text/event-stream이며, 여기에는 event, data, id 및 retry의 4개 필드가 포함되어 있습니다. event는 이벤트 유형을 나타내고, data는 메시지 내용을 나타내며, id는 클라이언트 EventSource 개체의 마지막 이벤트 ID 문자열 내부 속성을 설정하는 데 사용되며, retry는 다시 연결 시간을 지정합니다. . 🎜🎜서버(PHP): 🎜
>toBase64( sha1( Sec-WebSocket-Key + 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 )  )
🎜클라이언트에서는 SSE가 EventSource 객체를 통해 구현됩니다. EventSource에는 5개의 외부 속성(onerror, onmessage, onopen, ReadyState, url)과 2개의 내부 속성(reconnection time 및 last event ID string)이 포함되어 있습니다. onerror 속성에서는 오류를 캡처하고 처리할 수 있으며 onmessage는 서버 이벤트 수신 및 처리에 해당합니다. 또한 addEventListener 메서드를 사용하여 서버에서 보낸 이벤트를 수신하고 이벤트 필드에 따라 다르게 처리할 수도 있습니다. 🎜🎜클라이언트: 🎜
  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 ...                |
 +---------------------------------------------------------------+
🎜SSE는 폴링보다 실시간 성능이 뛰어나고 사용하기도 매우 쉽습니다. 그러나 SSE는 서버에서 클라이언트로의 단방향 이벤트 푸시만 지원하며 모든 IE 버전(현재까지 Microsoft Edge 포함)은 SSE를 지원하지 않습니다. IE 및 일부 모바일 브라우저에 대한 지원을 강제해야 하는 경우 EventSource Polyfill을 사용해 볼 수 있습니다(기본적으로 여전히 폴링). SSE의 브라우저 지원은 아래 그림에 나와 있습니다. 🎜🎜🎜🎜🎜🎜

비교

>>>>>>>>>>> 기존 폴링 장기 폴링 서버 전송 이벤트 WebSocket
브라우저 지원 거의 모든 최신 브라우저 거의 모든 최신 브라우저 Firefox 6+ Chrome 6+ Safari 5+ Opera 10.1+ IE 10+ Edge Firefox 4+ Chrome 4+ Safari 5 + Opera 11.5+
서버 로드 더 적은 CPU 리소스, 더 많은 메모리 리소스 및 대역폭 리소스 기존 폴링과 유사하지만 대역폭을 덜 차지합니다. 매번을 제외하면 긴 폴링과 유사합니다. 요청을 보낸 후 서버 연결을 끊을 필요가 없습니다 루프(장기 폴링)에서 기다릴 필요가 없습니다. CPU 및 메모리 리소스는 클라이언트 수가 아닌 클라이언트 이벤트 수로 측정됩니다. 네 가지 방법 중 성능이 가장 좋습니다.
클라이언트 로드 는 더 많은 메모리 리소스와 요청 수를 차지합니다. 기존 여론조사와 유사합니다. 브라우저에서 기본적으로 구현되며 리소스를 거의 차지하지 않습니다. 서버 전송 이벤트와 동일합니다.
Latency 실시간이 아니며 대기 시간은 요청 간격에 따라 달라집니다. 기존 여론조사와 동일합니다. 비실시간, 기본 지연은 3초이며 지연은 사용자 정의할 수 있습니다. 실시간.
구현 복잡성 은 매우 간단합니다. 서버 협력이 필요하며 클라이언트 구현은 매우 간단합니다. 서버 협력이 필요하며 클라이언트 구현은 처음 두 가지보다 훨씬 간단합니다. 소켓 프로그램 구현 및 추가 포트가 필요하며 클라이언트 구현이 간단합니다.

WebSocket 是什么

WebSocket 协议在2008年诞生，2011年成为国际标准。所有浏览器都已经支持了。

WebSocket同样是HTML 5规范的组成部分之一，现标准版本为 RFC 6455。WebSocket 相较于上述几种连接方式，实现原理较为复杂，用一句话概括就是：客户端向 WebSocket 服务器通知（notify）一个带有所有 接收者ID（recipients IDs） 的事件（event），服务器接收后立即通知所有活跃的（active）客户端，只有ID在接收者ID序列中的客户端才会处理这个事件。由于 WebSocket 本身是基于TCP协议的，所以在服务器端我们可以采用构建 TCP Socket 服务器的方式来构建 WebSocket 服务器。

这个 WebSocket 是一种全新的协议。它将 TCP 的 Socket（套接字）应用在了web page上，从而使通信双方建立起一个保持在活动状态连接通道，并且属于全双工（双方同时进行双向通信）。

其实是这样的，WebSocket 协议是借用 HTTP协议 的 101 switch protocol 来达到协议转换的，从HTTP协议切换成WebSocket通信协议。

它的最大特点就是，服务器可以主动向客户端推送信息，客户端也可以主动向服务器发送信息，是真正的双向平等对话，属于服务器推送技术的一种。其他特点包括：

  • 建立在 TCP 协议之上，服务器端的实现比较容易。

  • 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。

  • 数据格式比较轻量，性能开销小，通信高效。

  • 可以发送文本，也可以发送二进制数据。

  • 没有同源限制，客户端可以与任意服务器通信。

  • 协议标识符是ws（如果加密，则为wss），服务器网址就是 URL。

协议

WebSocket协议被设计来取代现有的使用HTTP作为传输层的双向通信技术，并受益于现有的基础设施（代理、过滤、身份验证）。

概述

本协议有两部分：握手和数据传输。

来自客户端的握手看起来像如下形式：

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13

来自服务器的握手看起来像如下形式：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
Sec-WebSocket-Protocol: chat

来自客户端的首行遵照 Request-Line 格式。 来自服务器的首行遵照 Status-Line 格式。

Request-Line 和 Status-Line 制品定义在 RFC2616。

一旦客户端和服务器都发送了它们的握手，且如果握手成功，接着开始数据传输部分。 这是一个每一端都可以的双向通信信道，彼此独立，随意发生数据。

一个成功握手之后，客户端和服务器来回地传输数据，在本规范中提到的概念单位为“消息”。 在线路上，一个消息是由一个或多个帧的组成。 WebSocket 的消息并不一定对应于一个特定的网络层帧，可以作为一个可以被一个中间件合并或分解的片段消息。

一个帧有一个相应的类型。 属于相同消息的每一帧包含相同类型的数据。 从广义上讲，有文本数据类型（它被解释为 UTF-8 RFC3629文本）、二进制数据类型（它的解释是留给应用）、和控制帧类型（它是不准备包含用于应用的数据，而是协议级的信号，例如应关闭连接的信号）。这个版本的协议定义了六个帧类型并保留10以备将来使用。

握手

客户端：申请协议升级

首先，客户端发起协议升级请求。可以看到，采用的是标准的 HTTP 报文格式，且只支持GET方法。

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==

重点请求首部意义如下：

  • Connection: Upgrade：表示要升级协议

  • Upgrade: websocket：表示要升级到 websocket 协议。

  • Sec-WebSocket-Version: 13：表示 websocket 的版本。如果服务端不支持该版本，需要返回一个 Sec-WebSocket-Versionheader ，里面包含服务端支持的版本号。

  • Sec-WebSocket-Key：与后面服务端响应首部的 Sec-WebSocket-Accept 是配套的，提供基本的防护，比如恶意的连接，或者无意的连接。

服务端：响应协议升级

服务端返回内容如下，状态代码101表示协议切换。到此完成协议升级，后续的数据交互都按照新的协议来。

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

Sec-WebSocket-Accept

Sec-WebSocket-Accept 根据客户端请求首部的 Sec-WebSocket-Key 计算出来。

计算公式为：

将 Sec-WebSocket-Key 跟 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 拼接。

通过 SHA1 计算出摘要，并转成 base64 字符串。

伪代码如下：

>toBase64( sha1( Sec-WebSocket-Key + 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 )  )

数据帧

WebSocket 客户端、服务端通信的最小单位是 帧（frame），由 1 个或多个帧组成一条完整的 消息（message）。

  • 发送端：将消息切割成多个帧，并发送给服务端；

  • 接收端：接收消息帧，并将关联的帧重新组装成完整的消息；

数据帧格式概览

用于数据传输部分的报文格式是通过本节中详细描述的 ABNF 来描述。

下面给出了 WebSocket 数据帧的统一格式。熟悉 TCP/IP 协议的同学对这样的图应该不陌生。

从左到右，单位是比特。比如 FIN、RSV1各占据 1 比特，opcode占据 4 比特。

内容包括了标识、操作代码、掩码、数据、数据长度等。

  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 ...                |
 +---------------------------------------------------------------+

数据帧格式详解

针对前面的格式概览图，这里逐个字段进行讲解，如有不清楚之处，可参考协议规范，或留言交流。

FIN：1 个比特。

如果是 1，表示这是 消息（message）的最后一个分片（fragment），如果是 0，表示不是是 消息（message）的最后一个 分片（fragment）。

RSV1, RSV2, RSV3：各占 1 个比特。

一般情况下全为 0。当客户端、服务端协商采用 WebSocket 扩展时，这三个标志位可以非 0，且值的含义由扩展进行定义。如果出现非零的值，且并没有采用 WebSocket 扩展，连接出错。

Opcode: 4 个比特。

操作代码，Opcode 的值决定了应该如何解析后续的 数据载荷（data payload）。如果操作代码是不认识的，那么接收端应该 断开连接（fail the connection）。可选的操作代码如下：

  • %x0：表示一个延续帧。当 Opcode 为 0 时，表示本次数据传输采用了数据分片，当前收到的数据帧为其中一个数据分片。

  • %x1：表示这是一个文本帧（frame）

  • %x2：表示这是一个二进制帧（frame）

  • %x3-7：保留的操作代码，用于后续定义的非控制帧。

  • %x8：表示连接断开。

  • %x8：表示这是一个 ping 操作。

  • %xA：表示这是一个 pong 操作。

  • %xB-F：保留的操作代码，用于后续定义的控制帧。

Mask: 1 个比特。

表示是否要对数据载荷进行掩码操作。从客户端向服务端发送数据时，需要对数据进行掩码操作；从服务端向客户端发送数据时，不需要对数据进行掩码操作。

如果服务端接收到的数据没有进行过掩码操作，服务端需要断开连接。

如果 Mask 是 1，那么在 Masking-key 中会定义一个 掩码键（masking key），并用这个掩码键来对数据载荷进行反掩码。所有客户端发送到服务端的数据帧，Mask 都是 1。

Payload length：数据载荷的长度

单位是字节。为 7 位，或 7+16 位，或 1+64 位。

假设数 Payload length === x，如果

  • x 为 0~126：数据的长度为 x 字节。

  • x 为 126：后续 2 个字节代表一个 16 位的无符号整数，该无符号整数的值为数据的长度。

  • x 为 127：后续 8 个字节代表一个 64 位的无符号整数（最高位为 0），该无符号整数的值为数据的长度。

此外，如果 payload length 占用了多个字节的话，payload length 的二进制表达采用 网络序（big endian，重要的位在前）。

Masking-key：0 或 4 字节（32 位）

所有从客户端传送到服务端的数据帧，数据载荷都进行了掩码操作，Mask 为 1，且携带了 4 字节的 Masking-key。如果 Mask 为 0，则没有 Masking-key。

备注：载荷数据的长度，不包括 mask key 的长度。

Payload data：(x+y) 字节

载荷数据：包括了扩展数据、应用数据。其中，扩展数据 x 字节，应用数据 y 字节。

扩展数据：如果没有协商使用扩展的话，扩展数据数据为 0 字节。所有的扩展都必须声明扩展数据的长度，或者可以如何计算出扩展数据的长度。此外，扩展如何使用必须在握手阶段就协商好。如果扩展数据存在，那么载荷数据长度必须将扩展数据的长度包含在内。

应用数据：任意的应用数据，在扩展数据之后（如果存在扩展数据），占据了数据帧剩余的位置。载荷数据长度 减去 扩展数据长度，就得到应用数据的长度。

掩码算法

掩码键（Masking-key）是由客户端挑选出来的 32 位的随机数。掩码操作不会影响数据载荷的长度。掩码、反掩码操作都采用如下算法：

首先，假设：

  • original-octet-i：为原始数据的第 i 字节。

  • transformed-octet-i：为转换后的数据的第 i 字节。

  • j：为i mod 4的结果。

  • masking-key-octet-j：为 mask key 第 j 字节。

算法描述为： original-octet-i 与 masking-key-octet-j 异或后，得到 transformed-octet-i。

j  = i MOD 4
transformed-octet-i = original-octet-i XOR masking-key-octet-j

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。

连接保持 + 心跳

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。

但不排除有些场景，客户端、服务端虽然长时间没有数据往来，但仍需要保持连接。这个时候，可以采用心跳来实现。

  • 发送方 ->接收方：ping

  • 接收方 ->发送方：pong

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

关闭连接

一旦发送或接收到一个Close控制帧，这就是说，_WebSocket 关闭阶段握手已启动，且 WebSocket 连接处于 CLOSING 状态。

当底层TCP连接已关闭，这就是说 WebSocket连接已关闭 且 WebSocket 连接处于 CLOSED 状态。 如果 TCP 连接在 WebSocket 关闭阶段已经完成后被关闭，WebSocket连接被说成已经 完全地 关闭了。

如果WebSocket连接不能被建立，这就是说，WebSocket连接关闭，但不是 完全的 。

状态码

当关闭一个已经建立的连接（例如，当在打开阶段握手已经完成后发送一个关闭帧），端点可以表明关闭的原因。 由端点解释这个原因，并且端点应该给这个原因采取动作，本规范是没有定义的。 本规范定义了一组预定义的状态码，并指定哪些范围可以被扩展、框架和最终应用使用。 状态码和任何相关的文本消息是关闭帧的可选的组件。

当发送关闭帧时端点可以使用如下预定义的状态码。

1005CLOSE_NO_STATUS예약됨. (즉, 종료 프레임이 전송되지 않았습니다.) 1007Unsupported Data형식에 맞지 않는 데이터(UTF가 아닌 문자 메시지 등)를 수신하여 연결이 끊어졌습니다. 8 데이터) ).1008Policy Violation규약을 충족하지 않는 데이터 수신으로 인해 연결이 끊어졌습니다. 이는 1003 및 1009 상태 코드의 사용이 불가능한 시나리오에서 사용되는 일반적인 상태 코드입니다. 1009CLOSE_TOO_LARGE너무 큰 데이터 프레임을 수신하여 연결이 끊어졌습니다. 1010Missing Extension클라이언트는 서버가 하나 이상의 확장을 협상할 것으로 예상했지만, 서버가 처리하지 않아서 클라이언트 연결이 끊어졌습니다. 연결을 엽니다.1011내부 오류클라이언트에서 예상치 못한 상황이 발생하여 요청을 완료할 수 없어 서버 연결이 끊어졌습니다.1012 Service Restart연결 끊기 다시 시작으로 인해 서버가 실패했습니다.1013나중에 다시 시도하세요서버 과부하 등 일시적인 이유로 서버 연결이 끊어져 일부 클라이언트 연결이 끊깁니다.1014 는 향후 사용을 위해 WebSocket 표준에 의해 예약되었습니다. 1015TLS HandshakeReserved TLS 핸드셰이크를 완료할 수 없어(예: 서버 인증서를 확인할 수 없음) 연결이 종료되었음을 나타냅니다. 1016–1999향후 사용을 위해 WebSocket 표준에 의해 예약되었습니다.2000–2999WebSocket 확장 프로그램에 사용하도록 예약되었습니다. 3000–3999도서관이나 애플리케이션에서 사용하면 안 됩니다. IANA에 등록할 수 있으며 선착순으로 제공됩니다.4000– 4999앱에서 사용할 수 있습니다.

客户端的 API

WebSocket 构造函数

WebSocket 对象提供了用于创建和管理 WebSocket 连接，以及可以通过该连接发送和接收数据的 API。

WebSocket 构造器方法接受一个必须的参数和一个可选的参数：

WebSocket WebSocket(in DOMString url, in optional DOMString protocols);
WebSocket WebSocket(in DOMString url,in optional DOMString[] protocols);

参数

  • url

表示要连接的URL。这个URL应该为响应WebSocket的地址。

  • protocols 可选

可以是一个单个的协议名字字符串或者包含多个协议名字字符串的数组。这些字符串用来表示子协议，这样做可以让一个服务器实现多种 WebSocket子协议（例如你可能希望通过制定不同的协议来处理不同类型的交互）。如果没有制定这个参数，它会默认设为一个空字符串。

构造器方法可能抛出以下异常：SECURITY_ERR 试图连接的端口被屏蔽。

var ws = new WebSocket('ws://localhost:8080');

执行上面语句之后，客户端就会与服务器进行连接。

属性

상태 코드 이름 Description
0–999 예약된 세그먼트, 사용되지 않음.
1000 CLOSE_NORMAL 제작 목적에 관계없이 정상적으로 종료됩니다. , 링크가 모두 성공적으로 작업을 완료했습니다.
1001 CLOSE_GOING_AWAY 서버 오류로 인해 터미널이 떠났거나 연결이 열린 페이지에서 브라우저가 이탈했기 때문일 수 있습니다.
1002 CLOSE_PROTOCOL_ERROR 프로토콜 오류로 인해 연결이 끊어졌습니다.
1003 CLOSE_UNSUPPORTED 허용되지 않는 데이터 형식(예: 텍스트만 수신하는 단말기)을 수신하여 연결이 끊어졌습니다. data received binary data).
1004 예약됨. 해당 의미는 나중에 정의될 수 있습니다.
属性名 类型 描述
binaryType DOMString 一个字符串表示被传输二进制的内容的类型。取值应当是"blob"或者"arraybuffer"。"blob"表示使用DOM Blob 对象，而"arraybuffer"表示使用 ArrayBuffer 对象。
bufferedAmount unsigned long 调用 send()) 方法将多字节数据加入到队列中等待传输，但是还未发出。该值会在所有队列数据被发送后重置为 0。而当连接关闭时不会设为0。如果持续调用send()，这个值会持续增长。只读。
extensions DOMString 服务器选定的扩展。目前这个属性只是一个空字符串，或者是一个包含所有扩展的列表。
onclose EventListener 用于监听连接关闭事件监听器。当 WebSocket 对象的readyState 状态变为 CLOSED 时会触发该事件。这个监听器会接收一个叫close的 CloseEvent 对象。
onerror EventListener 当错误发生时用于监听error事件的事件监听器。会接受一个名为“error”的event对象。
onmessage EventListener 一个用于消息事件的事件监听器，这一事件当有消息到达的时候该事件会触发。这个Listener会被传入一个名为"message"的 MessageEvent 对象。
onopen EventListener 一个用于连接打开事件的事件监听器。当readyState的值变为 OPEN 的时候会触发该事件。该事件表明这个连接已经准备好接受和发送数据。这个监听器会接受一个名为"open"的事件对象。
protocol DOMString 一个表明服务器选定的子协议名字的字符串。这个属性的取值会被取值为构造器传入的protocols参数。
readyState unsigned short 连接的当前状态。取值是 Ready state constants 之一。 只读。
url DOMString 传入构造器的URL。它必须是一个绝对地址的URL。只读。

webSocket.onopen

实例对象的 onopen 属性，用于指定连接成功后的回调函数。

ws.onopen = function () {
  ws.send('Hello Server!');
}

如果要指定多个回调函数，可以使用addEventListener方法。

ws.addEventListener('open', function (event) {
  ws.send('Hello Server!');
});

webSocket.onclose

实例对象的 onclose 属性，用于指定连接关闭后的回调函数。

ws.onclose = function(event) {
  var code = event.code;
  var reason = event.reason;
  var wasClean = event.wasClean;
  // handle close event
};

ws.addEventListener("close", function(event) {
  var code = event.code;
  var reason = event.reason;
  var wasClean = event.wasClean;
  // handle close event
});

webSocket.onmessage

实例对象的 onmessage 属性，用于指定收到服务器数据后的回调函数。

ws.onmessage = function(event) {
  var data = event.data;
  // 处理数据
};

ws.addEventListener("message", function(event) {
  var data = event.data;
  // 处理数据
});

注意，服务器数据可能是文本，也可能是 二进制数据（blob对象或Arraybuffer对象）。

ws.onmessage = function(event){
  if(typeof event.data === String) {
    console.log("Received data string");
  }

  if(event.data instanceof ArrayBuffer){
    var buffer = event.data;
    console.log("Received arraybuffer");
  }
}

除了动态判断收到的数据类型，也可以使用 binaryType 属性，显式指定收到的二进制数据类型。

// 收到的是 blob 数据
ws.binaryType = "blob";
ws.onmessage = function(e) {
  console.log(e.data.size);
};

// 收到的是 ArrayBuffer 数据
ws.binaryType = "arraybuffer";
ws.onmessage = function(e) {
  console.log(e.data.byteLength);
};

常量

Ready state 常量

这些常量是 readyState 属性的取值，可以用来描述 WebSocket 连接的状态。

常量 值 描述
CONNECTING 0 连接还没开启。
OPEN 1 连接已开启并准备好进行通信。
CLOSING 2 连接正在关闭的过程中。
CLOSED 3 连接已经关闭，或者连接无法建立。

方法

close()

关闭 WebSocket 连接或停止正在进行的连接请求。如果连接的状态已经是 closed，这个方法不会有任何效果

void close(in optional unsigned short code, in optional DOMString reason);

code 可选

一个数字值表示关闭连接的状态号，表示连接被关闭的原因。如果这个参数没有被指定，默认的取值是1000 （表示正常连接关闭）。 请看 CloseEvent 页面的 list of status codes来看默认的取值。

reason 可选

一个可读的字符串，表示连接被关闭的原因。这个字符串必须是不长于123字节的UTF-8 文本（不是字符）。

可能抛出的异常

  • INVALID_ACCESS_ERR：选定了无效的code。

  • SYNTAX_ERR：reason 字符串太长或者含有 unpaired surrogates。

send()

通过 WebSocket 连接向服务器发送数据。

void send(in DOMString data);
void send(in ArrayBuffer data);
void send(in Blob data);

data：要发送到服务器的数据。

可能抛出的异常：

  • INVALID_STATE_ERR：当前连接的状态不是OPEN。

  • SYNTAX_ERR：数据是一个包含 unpaired surrogates 的字符串。

发送文本的例子。

ws.send('your message');

发送 Blob 对象的例子。

var file = document
  .querySelector('input[type="file"]')
  .files[0];
ws.send(file);

发送 ArrayBuffer 对象的例子。

// Sending canvas ImageData as ArrayBuffer
var img = canvas_context.getImageData(0, 0, 400, 320);
var binary = new Uint8Array(img.data.length);
for (var i = 0; i < img.data.length; i++) {
  binary[i] = img.data[i];
}
ws.send(binary.buffer);

服务端的实现

WebSocket 服务器的实现，可以查看维基百科的列表。

常用的 Node 实现有以下三种。

  • Socket.IO

  • µWebSockets

  • WebSocket-Node

问答

和TCP、HTTP协议的关系

WebSocket 是基于 TCP 的独立的协议。它与 HTTP 唯一的关系是它的握手是由 HTTP 服务器解释为一个 Upgrade 请求。

WebSocket协议试图在现有的 HTTP 基础设施上下文中解决现有的双向HTTP技术目标；同样，它被设计工作在HTTP端口80和443，也支持HTTP代理和中间件，

HTTP服务器需要发送一个“Upgrade”请求，即101 Switching Protocol到HTTP服务器，然后由服务器进行协议转换。

Sec-WebSocket-Key/Accept 的作用

前面提到了，Sec-WebSocket-Key/Sec-WebSocket-Accept 在主要作用在于提供基础的防护，减少恶意连接、意外连接。

作用大致归纳如下：

避免服务端收到非法的 websocket 连接（比如 http 客户端不小心请求连接 websocket 服务，此时服务端可以直接拒绝连接）

确保服务端理解 websocket 连接。因为 ws 握手阶段采用的是 http 协议，因此可能 ws 连接是被一个 http 服务器处理并返回的，此时客户端可以通过 Sec-WebSocket-Key 来确保服务端认识 ws 协议。（并非百分百保险，比如总是存在那么些无聊的 http 服务器，光处理 Sec-WebSocket-Key，但并没有实现 ws 协议。。。）

用浏览器里发起 ajax 请求，设置 header 时，Sec-WebSocket-Key 以及其他相关的 header 是被禁止的。这样可以避免客户端发送 ajax 请求时，意外请求协议升级（websocket upgrade）

可以防止反向代理（不理解 ws 协议）返回错误的数据。比如反向代理前后收到两次 ws 连接的升级请求，反向代理把第一次请求的返回给 cache 住，然后第二次请求到来时直接把 cache 住的请求给返回（无意义的返回）。

Sec-WebSocket-Key 主要目的并不是确保数据的安全性，因为 Sec-WebSocket-Key、Sec-WebSocket-Accept 的转换计算公式是公开的，而且非常简单，最主要的作用是预防一些常见的意外情况（非故意的）。

数据掩码的作用

WebSocket 协议中，数据掩码的作用是增强协议的安全性。但数据掩码并不是为了保护数据本身，因为算法本身是公开的，运算也不复杂。除了加密通道本身，似乎没有太多有效的保护通信安全的办法。

那么为什么还要引入掩码计算呢，除了增加计算机器的运算量外似乎并没有太多的收益（这也是不少同学疑惑的点）。

答案还是两个字：安全。但并不是为了防止数据泄密，而是为了防止早期版本的协议中存在的代理缓存污染攻击（proxy cache poisoning attacks）等问题。

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nodejs基于WS模块实现WebSocket聊天功能

详解node.js基于express使用websocket

php中关于websocket的详细介绍


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