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WebSocket详解(三):深入WebSocket通信协议细节
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1、前言


WebSocket 是HTML5一种新的web通信技术,它真正实现了浏览器与服务器的全双工实时通信(full-duplex)。本文将详解介绍WebSocket的通信协议细节。

你也可查看本文的上篇:《WebSocket详解(一):初步认识WebSocket技术》、《WebSocket详解(二):技术原理、代码演示和应用案例》。

2、系列文章


本文是系列文章中的第1篇,本系列文章的大纲如下:


3、更多资料


Web端即时通讯新手入门贴:
新手入门贴:详解Web端即时通讯技术的原理

Web端即时通讯技术盘点请参见:
Web端即时通讯技术盘点:短轮询、Comet、Websocket、SSE

关于Ajax短轮询:
找这方面的资料没什么意义,除非忽悠客户,否则请考虑其它3种方案即可。

有关Comet技术的详细介绍请参见:
Comet技术详解:基于HTTP长连接的Web端实时通信技术
WEB端即时通讯:HTTP长连接、长轮询(long polling)详解
WEB端即时通讯:不用WebSocket也一样能搞定消息的即时性
开源Comet服务器iComet:支持百万并发的Web端即时通讯方案

更多WebSocket的详细介绍请参见:
新手快速入门:WebSocket简明教程
理论联系实际:从零理解WebSocket的通信原理、协议格式、安全性
八问WebSocket协议:为你快速解答WebSocket热门疑问
Socket.IO介绍:支持WebSocket、用于WEB端的即时通讯的框架
socket.io和websocket 之间是什么关系?有什么区别?
Web端即时通讯实践干货:如何让你的WebSocket断网重连更快速?

有关SSE的详细介绍文章请参见:
SSE技术详解:一种全新的HTML5服务器推送事件技术

更多WEB端即时通讯文章请见:
http://www.52im.net/forum.php?mod=collection&action=view&ctid=15

4、传统“长轮询”实现Web端即时通讯的问题


WebSocket出现之前,Web端为了实现即时通讯,所用的技术都是Ajax轮询(polling)。轮询是在特定的的时间间隔(如每1秒),由浏览器对服务器发出HTTP request,然后由服务器返回最新的数据给客服端的浏览器。这种传统的HTTP request 的模式带来很明显的缺点 – 浏览器需要不断的向服务器发出请求,然而HTTP request 的header是非常长的,里面包含的数据可能只是一个很小的值,这样会占用很多的带宽。

而比较新的技术去做轮询的效果是Comet(是一种被hack出来的基于http长连接的“服务器推”技术,看看这篇文章可以对Comet技术有个直观的了解:开源Comet服务器iComet:支持百万并发的Web端即时通讯方案。但这种技术虽然可达到全双工通信,依然需要发出请求。

5、WebSocket 技术概览


在 WebSocket API,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,改变了原有的B/S模式。

WebSocket技术应用的典型架构:
1.png

WebSocket的技术原理:
2.png
勘误:图片中的“updrade”应为“upgrade”。感谢8楼的坛友“kare”指正!)

浏览器端的websocket 发起的请求一般是:
// javacsript
  var ws = new WebSocket("ws://127.0.0.1:4000");
  ws.onopen = function(){
    console.log("succeed");
  };
  ws.onerror = function(){
    console.log(“error”);
  };
  ws.onmessage = function(e){
  console.log(e); 
  }

当 new 一个 websocket 对象之后,就会向服务器发送一个 get 请求:
3.png

这个请求是对某个服务器的端口发送的,一般的话,会预先在服务器将一个socket 绑定到一个端口上,客户端和服务器端在这个预定的端口上通信(我这里绑定的就是 4000 端口,默认情况下,websocke 使用 80 端口)。

然后,在服务器端的socket监听到这个packet 之后就生成一个新的 socket,将发送过来的数据中的 Sec-WebSocket-Key 解析出来,然后按照把“Sec-WebSocket-Key”加上一个魔幻字符串“258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”。使用SHA-1加密,之后进行BASE-64编码,将结果作为“Sec-WebSocket-Accept”头的值,返回给客户端。

客户端收到这个之后,就会将 通信协议 upgrade 到 websocket 协议:
4.png

然后就会在这个持久的通道下进行通信,包括浏览器的询问,服务器的push,双方是在一个全双工的状态下相互通信。

6、WebSocket 通信协议


如上述的例子:切换后的websocket 协议中的 数据传输帧的格式(此时不再使用http协议) 官方文档给出的说明:
QQ20160525-0.png

直接看这个,谁都会有点头大: 我画了一幅图来简单的解释这个 frame 的结构:
5.png

各字段的解释:
FIN              1bit 表示信息的最后一帧,flag,也就是标记符
RSV 1-3        1bit each 以后备用的 默认都为 0
Opcode         4bit 帧类型,
Mask              1bit 掩码,是否加密数据,默认必须置为1 
Payload len   7bit 数据的长度,当这个7 bit的数据 == 126 时,后面的2 个字节也是表示数     据长度,当它 == 127 时,后面的 8 个字节表示数据长度
Masking-key      1 or 4 bit 掩码
Payload data  playload len  bytes 数据

所以我们这里的代码,通过判断 Playload len的值,来用 substr 截取 Masking-key 和 PlayloadData。

根据掩码解析数据的方法是:
for( i = 0; i < data.length ; i++){
   orginalData += data[i ]  ^  maskingKey[i mod 4]; 
}

在PHP中,当我们收到数据之后,按照这里的格式截取数据,并将其按照这里的方法解析后就得到了浏览器发送过来的数据。 当我们想把数据发送给浏览器时,也要按照这个格式组装frame。 这里是我的方法:
function frame($s){
                  $a = str_split($s, 125);
                  if (count($a) == 1){
                          return "\x81" . chr(strlen($a[0])) . $a[0];
                  }
                  $ns = "";
                  foreach ($a as $o){
                          $ns .= "\x81" . chr(strlen($o)) . $o;
                  }
                  return $ns;
          }

强行将要发送的数据分割成 125 Byte / frame,这样 playload len 只需要 7 bits。也就是直接将数据的长度的ASCII 码拼接上去,然后后面跟上要发送的数据。 每一个 frame 前面加的 ‘\x81’ 用二进制就是: 1000 0001 1000 :
1 是 FIN
000 是三个备用的bit

0001 指的是 opcode 官方的解释:
1111.jpg
可以设置 opcode的值,来告诉浏览器这个frame的数据属性。

附录:更多Web端即时通讯文章汇总


新手入门贴:史上最全Web端即时通讯技术原理详解
Web端即时通讯技术盘点:短轮询、Comet、Websocket、SSE
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新手快速入门:WebSocket简明教程
WebSocket详解(一):初步认识WebSocket技术
WebSocket详解(二):技术原理、代码演示和应用案例
WebSocket详解(三):深入WebSocket通信协议细节
WebSocket详解(四):刨根问底HTTP与WebSocket的关系(上篇)
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(原文链接:http://www.king-liu.net/?p=772

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推荐方案
评论 23
如果WebSocket的浏览器兼容性能更好一点,加上WEB开发的低成本和简易性,那真是相当爽啊
签名: 国庆长假还没有缓过来,请让我静一静,产品狗死远点...
很不错教程
受教了
受教了,对websocket有了清晰的认识
神秘人  发表于 6 年前
websocket会有丢包的情况吗,怎么处理
引用:可口可乐 发表于 2018-03-16 16:03
websocket会有丢包的情况吗,怎么处理

你把websocket看成tcp就好了
WebSocket的技术原理:
这里的图片里面 打错字了 upgrade 写成了 updrade 了
引用:kare 发表于 2018-10-19 10:55
WebSocket的技术原理:
这里的图片里面 打错字了 upgrade 写成了 updrade 了

很细心,非常感谢,我已经在图片下补充了勘误信息。
引用:JackJiang 发表于 2018-10-19 14:45
很细心,非常感谢,我已经在图片下补充了勘误信息。

都是在这里学到的东西,感谢这个网站。
引用:kare 发表于 2018-10-22 16:06
都是在这里学到的东西,感谢这个网站。

互相学习!
websocket 是http的升级,本质最后也会走到传输层 tcp
引用:尹少爷 发表于 2019-03-27 09:57
websocket 是http的升级,本质最后也会走到传输层 tcp

websocket只是借用http完成握手
原文:直接看这个,谁都会有点头大: 我花了一幅图,

错别字:花==》画
引用:楔子 发表于 2019-08-30 17:23
原文:直接看这个,谁都会有点头大: 我花了一幅图,

错别字:花==》画

多谢纠错,已修订!
继续好评+收藏。
签名: ruankao 做练习
发现了 4 处,请站长明察:
1,“浏览器和服务器只需要要做一个握手的动作”,多了一个 “要”;
2,“然后按照把“Sec-WebSocket-Ke”加上一个魔幻字符串”,
  (1)按照什么并没有说清楚。
  (2)“Sec-WebSocket-Ke” 少了一 “y” 字符。
3,“将结果做为“Sec-WebSocket-Accept”头的值” 中的 “做为” 改为 “作为”似乎更好。
4,“此时不再使用html协议” 中的 “html” 似乎应改为 “HTTP”。
签名: ruankao 做练习
“也就是直接将数据的长度的ascall码拼接上去” 中的 “ascall码” 似乎应改为 "ASCII 码"。
签名: ruankao 做练习
引用:gxl_ct001 发表于 2021-02-20 17:37
发现了 4 处,请站长明察:
1,“浏览器和服务器只需要要做一个握手的动作”,多了一个 “要”;
2,“然 ...

已修订,非常感谢!
引用:gxl_ct001 发表于 2021-02-20 17:48
“也就是直接将数据的长度的ascall码拼接上去” 中的 “ascall码” 似乎应改为 "ASCII 码"。

已修订,非常感谢!
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