WebSocket通訊使用剖析

這次帶給大家WebSocket通訊使用剖析，WebSocket通訊使用剖析的注意事項有哪些，下面就是實戰案例，一起來看一下。

什麼是 WebSocket ？

WebSocket 是一種標準協議，用於在客戶端和服務端之間進行雙向資料傳輸。但它跟 HTTP 沒什麼關係，它是基於 TCP 的獨立實作。

以前客戶端想知道服務端的處理進度，要不停地使用 Ajax 進行輪詢，讓瀏覽器隔幾秒鐘就向伺服器發送一次請求，這對伺服器壓力較大。另外一種輪詢就是採用long poll 的方式，這就跟打電話差不多，沒收到訊息就一直不掛電話，也就是說，客戶端發起連線後，如果沒訊息，就一直不回傳Response 給客戶端，連接階段一直是阻塞的。

而 WebSocket 解決了 HTTP 的這幾個難題。當伺服器完成協定升級後（ HTTP -> WebSocket ），服務端可以主動推送訊息給客戶端，解決了輪詢造成的同步延遲問題。由於 WebSocket 只需要一次 HTTP 握手，服務端就能一直與客戶端保持通信，直到關閉連接，這樣就解決了伺服器需要反覆解析 HTTP 協議，減少了資源的開銷。

隨著新標準的推進，WebSocket 已經比較成熟了，並且各個主流瀏覽器對WebSocket 的支援情況比較好（不相容低版本IE，IE 10 以下），有空可以看看。

使用WebSocket 的時候，前端使用是比較規範的，js 支援ws 協議，感覺類似於一個輕度封裝的Socket 協議，只是以前需要自己維護Socket 的連接，現在能夠以比較標準的方法進行。

下面我們就結合上圖具體來聊聊 WebSocket 的通訊過程。

建立連線

客戶端請求封包Header

客戶端請求封包：

GET / HTTP/1.1
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Host: example.com
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Key: sN9cRrP/n9NdMgdcy2VJFQ==
Sec-WebSocket-Version: 13

與傳統HTTP 封包不同的地方：

Upgrade: websocket
Connection: Upgrade

這兩行表示發起的是WebSocket 協定。

Sec-WebSocket-Key: sN9cRrP/n9NdMgdcy2VJFQ==
Sec-WebSocket-Version: 13

Sec-WebSocket-Key 是由瀏覽器隨機產生的，提供基本的防護，防止惡意或無意的連線。

Sec-WebSocket-Version 表示 WebSocket 的版本，最初 WebSocket 協定太多，不同廠商都有自己的協定版本，不過現在已經設定好了。如果服務端不支援該版本，則需要傳回 Sec-WebSocket-Versionheader，內麵包含服務端支援的版本號。

建立WebSocket 物件：

var ws = new websocket("ws://127.0.0.1:8001");

ws 表示使用WebSocket 協議，後面接位址及連接埠

完整的客戶端程式碼：

<script type="text/javascript">
 var ws;
 var box = document.getElementById('box');
 function startWS() {
 ws = new WebSocket('ws://127.0.0.1:8001');
 ws.onopen = function (msg) {
 console.log('WebSocket opened!');
 };
 ws.onmessage = function (message) {
 console.log('receive message: ' + message.data);
 box.insertAdjacentHTML('beforeend', '<p>' + message.data + '</p>');
 };
 ws.onerror = function (error) {
 console.log('Error: ' + error.name + error.number);
 };
 ws.onclose = function () {
 console.log('WebSocket closed!');
 };
 }
 function sendMessage() {
 console.log('Sending a message...');
 var text = document.getElementById('text');
 ws.send(text.value);
 }
 window.onbeforeunload = function () {
 ws.onclose = function () {}; // 首先关闭 WebSocket
 ws.close()
 };
</script>

服務端回應封包Header

首先我們來看看服務端的回應封包：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk=
Sec-WebSocket-Protocol: chat

我們一行行來解釋

• 首先，101 狀態碼表示伺服器已經瞭解了客戶端的請求，並將透過Upgrade 訊息標頭通知客戶端採用不同的協定來完成這個請求；

• 然後，Sec-WebSocket-Accept 這個則是經過伺服器確認，並且加密過後的Sec-WebSocket-Key；

• 最後，Sec-WebSocket-Protocol 則是表示最終使用的協議。

Sec-WebSocket-Accept 的運算方法：

• 將Sec-WebSocket-Key 跟258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 拼接;

• 透過SHA1 計算摘要，並轉換成base64 字串。

注意：Sec-WebSocket-Key/Sec-WebSocket-Accept 的换算，只能带来基本的保障，但连接是否安全、数据是否安全、客户端 / 服务端是否合法的 ws 客户端、ws 服务端，其实并没有实际性的保证。

创建主线程，用于实现接受 WebSocket 建立请求：

def create_socket():
 # 启动 Socket 并监听连接
 sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
 try:
 sock.bind(('127.0.0.1', 8001))
 # 操作系统会在服务器 Socket 被关闭或服务器进程终止后马上释放该服务器的端口，否则操作系统会保留几分钟该端口。
 sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
 sock.listen(5)
 except Exception as e:
 logging.error(e)
 return
 else:
 logging.info('Server running...')
 # 等待访问
 while True:
 conn, addr = sock.accept() # 此时会进入 waiting 状态
 data = str(conn.recv(1024))
 logging.debug(data)
 header_dict = {}
 header, _ = data.split(r'\r\n\r\n', 1)
 for line in header.split(r'\r\n')[1:]:
 key, val = line.split(': ', 1)
 header_dict[key] = val
 if 'Sec-WebSocket-Key' not in header_dict:
 logging.error('This socket is not websocket, client close.')
 conn.close()
 return
 magic_key = '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11'
 sec_key = header_dict['Sec-WebSocket-Key'] + magic_key
 key = base64.b64encode(hashlib.sha1(bytes(sec_key, encoding='utf-8')).digest())
 key_str = str(key)[2:30]
 logging.debug(key_str)
 response = 'HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n' \
  'Connection: Upgrade\r\n' \
  'Upgrade: websocket\r\n' \
  'Sec-WebSocket-Accept: {0}\r\n' \
  'WebSocket-Protocol: chat\r\n\r\n'.format(key_str)
 conn.send(bytes(response, encoding='utf-8'))
 logging.debug('Send the handshake data')
 WebSocketThread(conn).start()

进行通信

服务端解析 WebSocket 报文

Server 端接收到 Client 发来的报文需要进行解析

Client 包格式

FIN: 占 1bit

0：不是消息的最后一个分片
1：是消息的最后一个分片

RSV1, RSV2, RSV3：各占 1bit

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: 4bit

%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（text frame）；
%x2：表示这是一个二进制帧（binary 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；
%x9：表示这是一个心跳请求（ping）；
%xA：表示这是一个心跳响应（pong）；
%xB-F：保留的操作代码，用于后续定义的控制帧。

Mask: 1bit

表示是否要对数据载荷进行掩码异或操作。
0：否
1：是

Payload length: 7bit or (7 + 16)bit or (7 + 64)bit

表示数据载荷的长度
0~126：数据的长度等于该值；
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；
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。

Masking-key: 0 or 4bytes

当 Mask 为 1，则携带了 4 字节的 Masking-key；
当 Mask 为 0，则没有 Masking-key。
掩码算法：按位做循环异或运算，先对该位的索引取模来获得 Masking-key 中对应的值 x，然后对该位与 x 做异或，从而得到真实的 byte 数据。
注意：掩码的作用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。

Payload Data: 载荷数据

解析 WebSocket 报文代码如下：

def read_msg(data):
 logging.debug(data)
 msg_len = data[1] & 127 # 数据载荷的长度
 if msg_len == 126:
 mask = data[4:8] # Mask 掩码
 content = data[8:] # 消息内容
 elif msg_len == 127:
 mask = data[10:14]
 content = data[14:]
 else:
 mask = data[2:6]
 content = data[6:]
 raw_str = '' # 解码后的内容
 for i, d in enumerate(content):
 raw_str += chr(d ^ mask[i % 4])
 return raw_str

服务端发送 WebSocket 报文

返回时不携带掩码，所以 Mask 位为 0，再按载荷数据的大小写入长度，最后写入载荷数据。

struct 模块解析

struct.pack(fmt, v1, v2, ...)

按照给定的格式 fmt，把数据封装成字符串 ( 实际上是类似于 C 结构体的字节流 )

struct 中支持的格式如下表：

Format	C Type	Python type	Standard size
x	pad byte	no value
c	char	bytes of length 1	1
b	signed char	integer	1
B	unsigned char	integer	1
?	_Bool	bool	1
h	short	integer	2
H	unsigned short	integer	2
i	int	integer	4
I	unsigned int	integer	4
l	long	integer	4
L	unsigned long	integer	4
q	long long	integer	8
Q	unsigned long long	integer	8
n	ssize_t	integer
N	size_t	integer
e	-7	float	2
f	float	float	4
d	double	float	8
s	char[]	bytes
p	char[]	bytes
P	void *	integer

为了同 C 语言中的结构体交换数据，还要考虑有的 C 或 C++ 编译器使用了字节对齐，通常是以 4 个字节为单位的 32 位系统，故而 struct 根据本地机器字节顺序转换。可以用格式中的第一个字符来改变对齐方式，定义如下：

Character	Byte order	Size	Alignment
@	native	native	native
=	native	standard	none
<	little-endian	standard	none
>	big-endian	standard	none
!	network (= big-endian)	standard	none

发送 WebSocket 报文代码如下：

def write_msg(message):
 data = struct.pack('B', 129) # 写入第一个字节，10000001
 # 写入包长度
 msg_len = len(message)
 if msg_len <= 125:
  data += struct.pack('B', msg_len)
 elif msg_len <= (2 ** 16 - 1):
  data += struct.pack('!BH', 126, msg_len)
 elif msg_len <= (2 ** 64 - 1):
  data += struct.pack('!BQ', 127, msg_len)
 else:
  logging.error('Message is too long!')
  return
 data += bytes(message, encoding='utf-8') # 写入消息内容
 logging.debug(data)
 return data

总结

没有其他能像 WebSocket 一样实现全双工传输的技术了，迄今为止，大部分开发者还是使用 Ajax 轮询来实现，但这是个不太优雅的解决办法，WebSocket 虽然用的人不多，可能是因为协议刚出来的时候有安全性的问题以及兼容的浏览器比较少，但现在都有解决。如果你有这些需求可以考虑使用 WebSocket：

• 多个用户之间进行交互；

• 需要频繁地向服务端请求更新数据。

比如弹幕、消息订阅、多玩家游戏、协同编辑、股票基金实时报价、视频会议、在线教育等需要高实时的场景。

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