WebSocket協議

WebSocket協議通訊機制

WebSocket協議是獨立的、基於TCP的協議。其本質是先通過HTTP/HTTPS協議進行握手後建立一個用於交換資料的TCP連線，此後伺服器端與客戶器端通過此TCP連線進行實時通訊。

WebSocket開啟握手

每個socket連線都始於一個HTTP請求，該請求包含一個特殊的首標Upgrade。Upgrade首標表示客戶端會將連線升級到不同的協議。在這種情況下，這個不同的協議就是WebSocket。

傳送握手請求

客戶端通過HTTP協議傳輸WebSocket支援的版本號、HTTP協議的版本號、原始地址和主機地址等欄位給伺服器端。客戶端傳送的HTTP請求程式碼如下：

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

這個升級的請求頭增加了以下欄位：

• Sec-WebSocket-Protocol：客戶端可以接收的子協議的型別，即在WebSocket協議之上的應用層協議型別。
• Connection：告知伺服器端當前請求連線是升級的HTTP請求。
• Origin：防止客戶端使用指令碼進行未授權的跨源攻擊。伺服器端根據這個欄位判斷是否接受客戶端的Socket連線。可以返回一個HTTP錯誤狀態碼來拒絕連線。
• Sec-WebSocket-Key：為了表示伺服器端同意和客戶端進行Socket連線，伺服器端需要使用該欄位進行校驗，然後返回一個校驗過的字串給客戶端，客戶端驗證通過後才能正式建立Socket連線。
• Sec-WebSocket-Version：表示版本相容性。

返回握手應答

WebSocket伺服器端收到客戶端傳送的握手請求後，如果資料包資料和格式正確，客戶端和伺服器端的協議版本號匹配等，就接收本次握手鍊接，並給出響應的資料回覆。伺服器端返回的響應程式碼如下：

HTTP/1.0 Switching Protocols
Upgrade: WebSocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
Sec-WebSocket-Protocol: chat

響應程式碼中包含以下欄位：

• Sec-WebSocket-Accept：伺服器端將加密處理後的握手Key通過這個欄位返回給客戶端，表示同意握手建立連線。
• Sec-WebSocket-Protocol：伺服器選擇的一個應用層協議。

客戶端收到伺服器端回覆的資料包後，如果資料包內容、格式都正確，就表示本次連線成功，升級為WebSocket協議，這也稱作WebSocket初始握手（Opening Handshak）。

資料幀傳輸格式

WebSocket連線開啟時，客戶端和伺服器端可以互相傳送資料，資料使用一系列幀來傳輸。基本的資料幀由一個opcode、一個payload長度和傳送的應用資料等組成。

  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：1bit，表示是訊息的最後一幀。
• RSV1，RSV2，RSV3：每個1bit，必須是零，除非擴充套件定義為非零，如果接收到的是非零值但是擴充套件沒有定義，則需要關閉連線。
• Opcode：4bit，解釋payload資料，規定有以下不同的狀態，如果未知則接收方馬上關閉連線。狀態如下：0x0（附加資料幀）、0x1（文字資料幀）、0x2（二進位制資料幀）、0x3-7（保留為之後非控制幀使用）、0xB-F（保留位後面的控制幀使用）、0x8（關閉連線幀）、0x9（ping）、0xA（pong）。
• Mask：1bit，掩碼，定義payload資料是否進行了掩碼處理。
• Masking-Key： 0到4子節，掩碼解密金鑰，用於解碼Payload Data。客戶端發出的資料幀需要進行亞麻處理，所以此位是1。
• Payload length：7bit、7+16bit或7+64bit。payload Data的長度。
• Payload data：任意長度資料。包含有擴充套件定義資料和應用資料。

WebSocket關閉握手

正常關閉握手的步驟：

1. 當一端接收到一個關閉幀，且先前沒有傳送關閉幀，則這一端必須傳送一個關閉幀作為響應。
2. 當接收到這個響應幀時，接收這一端關閉連線，同時傳送表明關閉連線的控制幀，不再發送資料。
3. 另一端接收到表示應該關閉連線的控制幀後，丟棄後面接收的所有資料，關閉連線。

但是TCP關閉握手並不總是端到端可靠的，特別是出現攔截代理和其他的中間設施。當WebSocket關閉時，終止連線的端點可以傳送一個數字程式碼，以及一個表示選擇關閉套接字原因的字串。程式碼1000~1015規定用於WebSocket連線層。

WebSocket協議通訊實現的相關技術

WebSocket建構函式

WebSocket建構函式語法格式如下：

var ws = new WebSocket("ws://127.0.0.1/WebSocket/websocket")

URL地址的字串需要以“ws”或“wss”（加密通訊時使用）作為開頭。

WebSocket事件

客戶端的應用程式通過監聽WebSocket物件上的事件，來及時處理資料和改變連線的狀態。WebSocket物件可以觸發4種事件，包括

• open事件：WebSocket連線建立。
• message事件：客戶端接收到伺服器端的資料。
• error事件：通訊過程中發生錯誤。
• close事件：連線關閉。

WebSocket方法

• send()方法：傳送資料到伺服器端。
• close()方法：關閉WebSocket連線。可選引數：code（數字型的狀態程式碼）、reason（文字字串）。