websocket介绍

一、什么是websocket

WebSocket protocol是HTML5一种新的协议。它实现了浏览器与服务器全双工通信(full-duplex)。目前流行的浏览器都支持这个协议，例如Chrome，Safrie，Firefox，Opera，IE等等，对该协议支持最早的应该是chrome，从chrome12就已经开始支持，随着协议草案的不断变化，各个浏览器对协议的实现也在不停的更新。该协议还是草案，没有成为标准，不过成为标准应该只是时间问题了，从WebSocket草案的提出到现在已经有十几个版本了，目前最新的是版本17，所对应的协议版本号为13，目前对该协议支持最完善的浏览器应该是chrome，毕竟WebSocket协议草案也是Google发布的。

二、为什么引入WebSocket协议？？

Browser已经支持http协议，为什么还要开发一种新的WebSocket协议呢？我们知道http协议是一种单向的网络协议，在建立连接后，它只允许Browser/UA（UserAgent）向WebServer发出请求资源后，WebServer才能返回相应的数据。而WebServer不能主动的推送数据给Browser/UA，当初这么设计http协议也是有原因的，假设WebServer能主动的推送数据给Browser/UA，那Browser/UA就太容易受到攻击，一些广告商也会主动的把一些广告信息在不经意间强行的传输给客户端，这不能不说是一个灾难。那么单向的http协议给现在的网站或Web应用程序开发带来了哪些问题呢？

让我们来看一个案例，现在假设我们想开发一个基于Web的应用程序去获取当前Web服务器的实时数据，例如股票的实时行情，火车票的剩余票数等等，这就需要Browser/UA与WebServer端之间反复的进行http通信，Browser不断的发送Get请求，去获取当前的实时数据。下面介绍几种常见的方式：

1.     Polling

这种方式就是通过Browser/UA定时的向Web服务器发送http的Get请求，服务器收到请求后，就把最新的数据发回给客户端（Browser/UA），Browser/UA得到数据后，就将其显示出来，然后再定期的重复这一过程。虽然这样可以满足需求，但是也仍然存在一些问题，例如在某段时间内Web服务器端没有更新的数据，但是Browser/UA仍然需要定时的发送Get请求过来询问，那么Web服务器就把以前的老数据再传送过来，Browser/UA把这些没有变化的数据再显示出来，这样显然既浪费了网络带宽，又浪费了CPU的利用率。如果说把Browser发送Get请求的周期调大一些，就可以缓解这一问题，但是如果在Web服务器端的数据更新很快时，这样又不能保证Web应用程序获取数据的实时性。

2.     Long Polling

上面介绍了Polling遇到的问题，现在介绍一下LongPolling，它是对Polling的一种改进。

Browser/UA发送Get请求到Web服务器，这时Web服务器可以做两件事情，第一，如果服务器端有新的数据需要传送，就立即把数据发回给Browser/UA，Browser/UA收到数据后，立即再发送Get请求给Web Server；第二，如果服务器端没有新的数据需要发送，这里与Polling方法不同的是，服务器不是立即发送回应给Browser/UA，而是把这个请求保持住，等待有新的数据到来时，再来响应这个请求；当然了，如果服务器的数据长期没有更新，一段时间后，这个Get请求就会超时，Browser/UA收到超时消息后，再立即发送一个新的Get请求给服务器。然后依次循环这个过程。

这种方式虽然在某种程度上减小了网络带宽和CPU利用率等问题，但是仍然存在缺陷，例如假设服务器端的数据更新速率较快，服务器在传送一个数据包给Browser后必须等待Browser的下一个Get请求到来，才能传递第二个更新的数据包给Browser，那么这样的话，Browser显示实时数据最快的时间为2×RTT（往返时间），另外在网络拥塞的情况下，这个应该是不能让用户接受的。另外，由于http数据包的头部数据量往往很大（通常有400多个字节），但是真正被服务器需要的数据却很少（有时只有10个字节左右），这样的数据包在网络上周期性的传输，难免对网络带宽是一种浪费。

通过上面的分析可知，要是在Browser能有一种新的网络协议，能支持客户端和服务器端的双向通信，而且协议的头部又不那么庞大就好了。WebSocket就是肩负这样一个使命登上舞台的。

三 、websocket协议简介

 

WebSocket协议是一种双向通信协议，它建立在TCP之上，同http一样通过TCP来传输数据，但是它和http最大的不同有两点：1.WebSocket是一种双向通信协议，在建立连接后，WebSocket服务器和Browser/UA都能主动的向对方发送或接收数据，就像Socket一样，不同的是WebSocket是一种建立在Web基础上的一种简单模拟Socket的协议；2.WebSocket需要通过握手连接，类似于TCP它也需要客户端和服务器端进行握手连接，连接成功后才能相互通信。

下面是一个简单的建立握手的时序图：

这里简单说明一下WebSocket握手的过程。

当Web应用程序调用new WebSocket(url)接口时，Browser就开始了与地址为url的WebServer建立握手连接的过程。

1.     Browser与WebSocket服务器通过TCP三次握手建立连接，如果这个建立连接失败，那么后面的过程就不会执行，Web应用程序将收到错误消息通知。

2.     在TCP建立连接成功后，ws client 与ws server 建立websoucket握手连接，连接成功后可以双向通信。

四、websocket协议详解

WebSocket协议主要分为两部分,第一部分是连接许可验证和验证后的数据交互.连接许可验证比较简单,由Client发送一个类似于HTTP的请求,服务端获取请求后根据请求的KEY生成对应的值并返回.

连接请求内容:

1

2

3

4

5

6

7

8

GET / HTTP/1.1

Connection:Upgrade

Host:127.0.0.1:8088

Origin:null

Sec-WebSocket-Extensions:x-webkit-deflate-frame

Sec-WebSocket-Key:puVOuWb7rel6z2AVZBKnfw==

Sec-WebSocket-Version:13

Upgrade:websocket

服务端接收请求后主要是成针对Sec-WebSocket-Key生成对就Sec-WebSocket-Accept 的key,生成Sec-WebSocket-Accept 值比较简单就是Sha1(Sec-WebSocket-Key+258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11)即可,C#代码如下:

1

2

3

4

5

SHA1 sha1 = new SHA1CryptoServiceProvider();

byte[] bytes_sha1_in = Encoding.UTF8.GetBytes(request.SecWebSocketKey+ "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11");

byte[] bytes_sha1_out = sha1.ComputeHash(bytes_sha1_in);

string str_sha1_out = Convert.ToBase64String(bytes_sha1_out);

response.SecWebSocketAccept = str_sha1_out;

服务端返回内容:

1

2

3

4

5

6

7

8

HTTP/1.1 101 Switching Protocols

Connection:Upgrade

Server:beetle websocket server

Upgrade:WebSocket

Date:Mon, 26 Nov 2012 23:42:44 GMT

Access-Control-Allow-Credentials:true

Access-Control-Allow-Headers:content-type

Sec-WebSocket-Accept:FCKgUr8c7OsDsLFeJTWrJw6WO8Q= 

经过服务器的返回处理后连接握手成功,后面就可以进行TCP通讯.WebSocket在握手后发送数据并象下层TCP协议那样由用户自定义,还是需要遵循对应的应用协议规范...这也是在文章之说没有直接基于Socket tcp方便的原因. 

 数据交互协议:

这图有点难看懂...里面包括几种情况有掩码,数据长度小于126,小于UINT16和小于UINT64等几种情况.后面会慢慢详细说明.整个协议头大概分三部分组成,第一部分是描述消息结束情况和类型,第二部分是描述是否存在掩码长度,第三部分是扩展长度描述和掩码值.

从图中可以看到WebSocket协议数据主要通过头两个字节来描述数据包的情况

第一个字节

最高位用于描述消息是否结束,如果为1则该消息为消息尾部,如果为零则还有后续数据包;后面3位是用于扩展定义的,如果没有扩展约定的情况则必须为0.可以通过以下c#代码方式得到相应值

1

mDataPackage.IsEof = (data[start] >> 7) > 0;

OPCODE：4位解释PayloadData，如果接收到未知的opcode，接收端必须关闭连接。0x0表示附加数据帧0x1表示文本数据帧0x2表示二进制数据帧0x3-7暂时无定义，为以后的非控制帧保留0x8表示连接关闭0x9表示ping0xA表示pong0xB-F暂时无定义，为以后的控制帧保留

最低4位用于描述消息类型,消息类型暂定有15种,其中有几种是预留设置.c#代码可以这样得到消息类型:

1

2

int type = data[start] & 0xF;

mDataPackage.Type = (PackageType)type;

第二个字节

消息的第二个字节主要用一描述掩码和消息长度,最高位用0或1来描述是否有掩码处理,可以通过以下c#代码方式得到相应值

1

bool hasMask = (data[start] >>7) > 0;

剩下的后面7位用来描述消息长度,由于7位最多只能描述127所以这个值会代表三种情况,一种是消息内容少于126存储消息长度,如果消息长度少于UINT16的情况此值为126,当消息长度大于UINT16的情况下此值为127;这两种情况的消息长度存储到紧随后面的byte[],分别是UINT16(2位byte)和UINT64(4位byte).可以通过以下c#代码方式得到相应值

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

mPackageLength = (uint)(data[start] & 0x7F);

start++;

if (mPackageLength == 126)

{

    mPackageLength = BitConverter.ToUInt16(data, start);

    start = start + 2;

}

else if (mPackageLength == 127)

{

    mPackageLength = BitConverter.ToUInt64(data, start);

    start = start + 8;

}

如果存在掩码的情况下获取4位掩码值:

1

2

3

4

5

6

7

8

if (hasMask)

{

    mDataPackage.Masking_key = new byte[4];

    Buffer.BlockCopy(data, start, mDataPackage.Masking_key, 0, 4);

           

    start = start + 4;

    count = count - 4;

}

获取消息体

当得到消息体长度后就可以获取对应长度的byte[],有些消息类型是没有长度的如%x8 denotes a connection close.对于Text类型的消息对应的byte[]是相应字符的UTF8编码.获取消息体还有一个需要注意的地方就是掩码,如果存在掩码的情况下接收的byte[]要做如下转换处理:

1

2

3

4

5

6

if (mDataPackage.Masking_key != null)

    {

        int length = mDataPackage.Data.Count;

        for (var i = 0; i < length; i++)

            mDataPackage.Data.Array[i] = (byte)(mDataPackage.Data.Array[i] ^ mDataPackage.Masking_key[i % 4]);

    }

五、WebSocket（4）-- WebSocket与TCP、Http的关系

WebSocket与http协议一样都是基于TCP的，所以他们都是可靠的协议，Web开发者调用的WebSocket的send函数在browser的实现中最终都是通过TCP的系统接口进行传输的。WebSocket和Http协议一样都属于应用层的协议，那么他们之间有没有什么关系呢？答案是肯定的，WebSocket在建立握手连接时，数据是通过http协议传输的，正如我们上一节所看到的“GET/chat HTTP/1.1”，这里面用到的只是http协议一些简单的字段。但是在建立连接之后，真正的数据传输阶段是不需要http协议参与的。

具体关系可以参考下图：

转载： 

         http://blog.csdn.net/yl02520 博客中websokcet相关文章

        http://www.cnblogs.com/smark/archive/2012/11/26/2789812.html