WebSocket协议简介

2017-02-17 本文已影响37人 kim4apple

WebSocket协议有两部分：握手和数据传输

协议预览

来自客户端的握手

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

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

来自客户端的引导行遵从Request-Line格式，来自服务器的引导行遵从Status-Line格式。Request-Line和Status-Line在[RFC2616]定义。

两种情况下，引导行后面跟着一组未排序的头域。这些头域的意义在本文档第4章指定。额外的头域也可能出现，如cookie[RFC6265]。头格式和解析在[RFC2616]定义。

一旦客户端和服务器都发送了他们的握手。如果握手成功，传输数据部分开始。这是一个双向传输通道，每个端都能独立、随意发送数据。

握手成功后，客户端和服务器来回传输的数据是以消息message为概念单位。在传输介质上（on the wire），一个消息由一个或多个帧frame组成。WebSocket消息不需要对应到特定网络层的帧，业务分帧后的消息可能被中间设施合并或分拆。

一个帧都有一个关联的类型。属于同一个消息的帧拥有相同的数据类型，广义的说，有文本数据（解析为utf-8文本）、二进制数据（他的解析留给了应用程序）和控制帧（不打算携带应用数据，携带的是协议层的信号，如连接关闭信号）类型。

客户端握手

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

必须是有效的http request格式
HTTP request method必须是GET, 协议不小于1.1。如：GET /chat HTTP/1.1
必须包含Upgrade头域，并且其值为"websocket"
必须包含Connect头域，并且其值为"Upgrade"
必须包括"Sec-WebSocket-Key"头域，其值采用base64编码的随机16字节长的字符序列，服务器端根据该域来判断client 确实是websocket请求而不是冒充的，如http。响应方式是，首先要获取到请求头中的Sec-WebSocket-Key的值，再把这一段GUID "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"加到获取到的Sec-WebSocket-Key的值的后面，然后拿这个字符串做SHA-1 hash计算，然后再把得到的结果通过base64加密，就得到了返回给客户端的Sec-WebSocket-Accept的http响应头的值。
如果请求来自浏览器客户端，还必须包括Origin头域。该头域用于防止未授权的跨域脚本攻击，服务器可以从Origin决定是否接受该WebSocket连接。
必须包括"Sec-webSocket-Version" 头域，当前值必须是13.
可能包括"Sec-WebSocket-Protocol"，表示client（应用程序)支持的协议列表，server选择一个或者没有可接受的协议响应之。
可能包括"Sec-WebSocket-Extensions"，协议扩展，某类协议可能支持多个扩展，通过它可以实现协议增强。
可能包括任意其他域，如cookie。

服务端握手

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

处理请求包括处理GET方法
验证Upgrade头域
验证Connection头域
处理Sec-WebSocket-Key头域
处理Sec-WebSocket-Version头域
处理Origin头域，可选，浏览器必须发送该头域
处理Sec-WebSocket-Protocol头域，可选
处理Sec-WebSocket-Extensions头域，可选
Server发送握手响应，这里只介绍服务器接受该连接情况下，包括：
- http Status-Line
- Upgrade头域，值必须是”websocket“
- Connection头域，值必须是”Upgrade“
- Sec-WebSocket-Accept头域，该头域的值即处理Sec-WebSocket-Key域后的结果。
- 可选的Sec-WebSocket-Protocol头域
- 可选的Sec-WebSocket-Extensions头域

WebSocket 数据帧格式

WebSocket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位，是否是消息的结束帧（分片）
RSV1, RSV2, RSV3: 分别都是1位，预留，用于约定自定义协议。如果双方之间没有约定自定义协议，那么这几位值都必须为0，否则必须断掉WebSocket连接。
Opcode: 4位操作码，定义有效负载数据，如果收到了一个未知的操作码，连接必须断掉，以下是定义的操作码：
- %x0 表示消息连接分片
- %x1 表示文本消息分片
- %x2 表示二进制消息分片
- %x3-7 为将来的非抗震消息片段保留的操作码
- %x8 表示连接关闭
- %x9 表示心跳检查的ping
- %xA 表示心跳检查的pong
- %xB-F 为将来的控制消息片段保留的操作码
Mask:定义传输的数据是否有加掩码,如果设置为1,掩码键必须放在masking-key区域，客户端发送给服务端的所有消息，此位的值都是1；
Payload length:传输数据的长度，以字节的形式表示：7位，7+16位、或者7+64位。如果这个值以字节表示是0-125这个范围，那这个值就表示传输数据的长度；如果这个值是126，则随后的两个字节表示的是一个16进制无符号数，用来表示传输数据的长度；如果这个值是127,则随后的是8个字节表示的一个64位无符合数，这个数用来表示传输数据的长度。多字节长度的数量是以网络字节的顺序表示。负载数据的长度为扩展数据及应用数据之和，扩展数据的长度可能为0,因而此时负载数据的长度就为应用数据的长度。注意Payload length不包括Masking-key在内。
**Masking-key: **0或4个字节，客户端发送给服务端的数据，都是通过内嵌的一个32位值作为掩码的；掩码键只有在掩码位设置为1的时候存在。数据Mask方法是，第 i byte 数据 = orig-data ^ (i % 4) .
**Payload data: **(x+y)位，负载数据为扩展数据及应用数据长度之和。
Extension data:x位，如果客户端与服务端之间没有特殊约定，那么扩展数据的长度始终为0，任何的扩展都必须指定扩展数据的长度，或者长度的计算方式，以及在握手时如何确定正确的握手方式。如果存在扩展数据，则扩展数据就会包括在负载数据的长度之内。
Applicatoin data:y位，任意的应用数据，放在扩展数据之后，应用数据的长度=负载数据的长度-扩展数据的长度。

ws-frame                = frame-fin  
                          frame-rsv1  
                          frame-rsv2  
                          frame-rsv3  
                          frame-opcode  
                          frame-masked  
                          frame-payload-length  
                          [ frame-masking-key ]  
                          frame-payload-data  
  
frame-fin               = %x0 ; 表示这不是当前消息的最后一帧，后面还有消息  
                        / %x1 ; 表示这是当前消息的最后一帧  
  
frame-rsv1              = %x0  
                          ; 1 bit, 如果没有扩展约定，该值必须为0  
  
frame-rsv2              = %x0  
                          ; 1 bit, 如果没有扩展约定，该值必须为0  
  
frame-rsv3              = %x0  
                          ; 1 bit, 如果没有扩展约定，该值必须为0  
  
frame-opcode            = %x0 ; 表示这是一个连续帧消息  
                        / %x1 ; 表示文本消息  
                        / %x2 ; 表示二进制消息  
                        / %x3-7 ; 保留  
                        / %x8 ; 表示客户端发起的关闭  
                        / %x9 ; ping（用于心跳）  
                        / %xA ; pong（用于心跳）  
                        / %xB-F ; 保留  
  
frame-masked            = %x0 ; 数据帧没有加掩码，后面没有掩码key  
                        / %x1 ; 数据帧加了掩码，后面有掩码key  
  
frame-payload-length    = %x00-7D  
                        / %x7E frame-payload-length-16  
                        / %x7F frame-payload-length-63  
   ; 表示数据帧的长度  
  
frame-payload-length-16 = %x0000-FFFF  
   ; 表示数据帧的长度  
  
frame-payload-length-63 = %x0000000000000000-7FFFFFFFFFFFFFFF  
   ; 表示数据帧的长度  
  
frame-masking-key       = 4( %0x00-FF ) ; 掩码key，只有当掩码位为1时出现  
  
frame-payload-data      = (frame-masked-extension-data  
                           frame-masked-application-data)   ; 当掩码位为1时，这里的数据为带掩码的数据，扩展数据及应用数据都带掩码  
                        / (frame-unmasked-extension-data  
                           frame-unmasked-application-data) ; 当掩码位为0时，这里的数据为不带掩码的数据，扩展数据及应用数据都不带掩码  
  
frame-masked-extension-data     = *( %x00-FF ) ; 目前保留，以后定义  
  
frame-masked-application-data   = *( %x00-FF )  
  
frame-unmasked-extension-data   = *( %x00-FF ) ; 目前保留，以后定义  
  
frame-unmasked-application-data = *( %x00-FF )

引用以下文章：

WebSocket Protocol
https://github.com/zhangkaitao/websocket-protocol
WebSocket握手协议
 RFC-6455 WebSocket Git-Book

WebSocket协议简介

协议预览

客户端握手

服务端握手

WebSocket 数据帧格式

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