服务端使用c++实现websocket协议解析及通信

来源：互联网发布：linux centos官网编辑：程序博客网时间：2024/06/09 22:33

WebSocket 设计出来的目的就是要使客户端浏览器具备像 C/S 架构下桌面系统的实时通讯能力。浏览器通过 JavaScript 向服务器发出建立 WebSocket 连接的请求，连接建立以后，客户端和服务器端就可以通过 TCP 连接直接交换数据。因为 WebSocket 连接本质上就是一个 TCP 连接，所以在数据传输的稳定性和数据传输量的大小方面，和轮询以及 Comet 技术比较，具有很大的性能优势。下面是一个简单 Web 应用分别用轮询方式和 WebSocket 方式来实现，下面是测试结果图：

通过这张图可以清楚的看出，在流量和负载增大的情况下，WebSocket 方案相比传统的 Ajax 轮询方案有极大的性能优势。

好了不过多介绍 WebSocket 了，更多介绍大家可以点击参考资料引用的链接查看，还是回到解析协议及通信上来。解析协议这种事，就得耐着性子，一个字节一个字节解析，按步骤一点一点写程序。不过读懂了文档，知道了每个字节的属性意义后，解析起来还是挺简单的。按照协议说明，一旦完成数据解码，那么编码就稍微容易一些，差不多就是解码的逆向操作了。服务端使用c++完成 WebSocket 通信，主要需要完成以下三方面编程：

1. 服务端与h5客户端发起的 WebSocket 连接握手：

int wsHandshake(string &request, string &response){    // 解析http请求头信息    int ret = WS_STATUS_UNCONNECT;    std::istringstream stream(request.c_str());    std::string reqType;    std::getline(stream, reqType);    if (reqType.substr(0, 4) != "GET ")    {        return ret;    }    std::string header;    std::string::size_type pos = 0;    std::string websocketKey;    while (std::getline(stream, header) && header != "\r")    {        header.erase(header.end() - 1);        pos = header.find(": ", 0);        if (pos != std::string::npos)        {            std::string key = header.substr(0, pos);            std::string value = header.substr(pos + 2);            if (key == "Sec-WebSocket-Key")            {                ret = WS_STATUS_CONNECT;                websocketKey = value;                break;            }        }    }    if (ret != WS_STATUS_CONNECT)    {        return ret;    }    // 填充http响应头信息    response = "HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n";    response += "Upgrade: websocket\r\n";    response += "Connection: upgrade\r\n";    response += "Sec-WebSocket-Accept: ";    const std::string magicKey("258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11");    std::string serverKey = websocketKey + magicKey;    char shaHash[32];    memset(shaHash, 0, sizeof(shaHash));    sha1::calc(serverKey.c_str(), serverKey.size(), (unsigned char *) shaHash);    serverKey = base64::base64_encode(std::string(shaHash)) + "\r\n\r\n";    string strtmp(serverKey.c_str());    response += strtmp;    return ret;}

2. 完成握手后连接就建立了。然后就是接收h5客户端通过 WebSocket 发过来的数据帧并解码：

int wsDecodeFrame(string inFrame, string &outMessage){    int ret = WS_OPENING_FRAME;    const char *frameData = inFrame.c_str();    const int frameLength = inFrame.size();    if (frameLength < 2)    {        ret = WS_ERROR_FRAME;    }    // 检查扩展位并忽略    if ((frameData[0] & 0x70) != 0x0)    {        ret = WS_ERROR_FRAME;    }    // fin位: 为1表示已接收完整报文, 为0表示继续监听后续报文    ret = (frameData[0] & 0x80);    if ((frameData[0] & 0x80) != 0x80)    {        ret = WS_ERROR_FRAME;    }    // mask位, 为1表示数据被加密    if ((frameData[1] & 0x80) != 0x80)    {        ret = WS_ERROR_FRAME;    }    // 操作码    uint16_t payloadLength = 0;    uint8_t payloadFieldExtraBytes = 0;    uint8_t opcode = static_cast<uint8_t >(frameData[0] & 0x0f);    if (opcode == WS_TEXT_FRAME)    {        // 处理utf-8编码的文本帧        payloadLength = static_cast<uint16_t >(frameData[1] & 0x7f);        if (payloadLength == 0x7e)        {            uint16_t payloadLength16b = 0;            payloadFieldExtraBytes = 2;            memcpy(&payloadLength16b, &frameData[2], payloadFieldExtraBytes);            payloadLength = ntohs(payloadLength16b);        }        else if (payloadLength == 0x7f)        {            // 数据过长,暂不支持            ret = WS_ERROR_FRAME;        }    }    else if (opcode == WS_BINARY_FRAME || opcode == WS_PING_FRAME || opcode == WS_PONG_FRAME)    {        // 二进制/ping/pong帧暂不处理    }    else if (opcode == WS_CLOSING_FRAME)    {        ret = WS_CLOSING_FRAME;    }    else    {        ret = WS_ERROR_FRAME;    }    // 数据解码    if ((ret != WS_ERROR_FRAME) && (payloadLength > 0))    {        // header: 2字节, masking key: 4字节        const char *maskingKey = &frameData[2 + payloadFieldExtraBytes];        char *payloadData = new char[payloadLength + 1];        memset(payloadData, 0, payloadLength + 1);        memcpy(payloadData, &frameData[2 + payloadFieldExtraBytes + 4], payloadLength);        for (int i = 0; i < payloadLength; i++)        {            payloadData[i] = payloadData[i] ^ maskingKey[i % 4];        }        outMessage = payloadData;        delete[] payloadData;    }    return ret;}

3. 解码完数据帧，服务端做出相应处理后将结果按照 WebSocket 协议编码，然后发给h5客户端：

int wsEncodeFrame(string inMessage, string &outFrame, enum WS_FrameType frameType){    int ret = WS_EMPTY_FRAME;    const uint32_t messageLength = inMessage.size();    if (messageLength > 32767)    {        // 暂不支持这么长的数据        return WS_ERROR_FRAME;    }    uint8_t payloadFieldExtraBytes = (messageLength <= 0x7d) ? 0 : 2;    // header: 2字节, mask位设置为0(不加密), 则后面的masking key无须填写, 省略4字节    uint8_t frameHeaderSize = 2 + payloadFieldExtraBytes;    uint8_t *frameHeader = new uint8_t[frameHeaderSize];    memset(frameHeader, 0, frameHeaderSize);    // fin位为1, 扩展位为0, 操作位为frameType    frameHeader[0] = static_cast<uint8_t>(0x80 | frameType);    // 填充数据长度    if (messageLength <= 0x7d)    {        frameHeader[1] = static_cast<uint8_t>(messageLength);    }    else    {        frameHeader[1] = 0x7e;        uint16_t len = htons(messageLength);        memcpy(&frameHeader[2], &len, payloadFieldExtraBytes);    }    // 填充数据    uint32_t frameSize = frameHeaderSize + messageLength;    char *frame = new char[frameSize + 1];    memcpy(frame, frameHeader, frameHeaderSize);    memcpy(frame + frameHeaderSize, inMessage.c_str(), messageLength);    frame[frameSize] = '\0';    outFrame = frame;    delete[] frame;    delete[] frameHeader;    return ret;}

4. 握手只需一次，随后反复执行第2步及第3步，就完成了服务端与h5客户端通信。这个只是c++版本的，可以很容易改成java版本的。下面是上述方法用到的一些枚举：

enum WS_Status{    WS_STATUS_CONNECT = 0,    WS_STATUS_UNCONNECT = 1,};enum WS_FrameType{    WS_EMPTY_FRAME = 0xF0,    WS_ERROR_FRAME = 0xF1,    WS_TEXT_FRAME   = 0x01,    WS_BINARY_FRAME = 0x02,    WS_PING_FRAME = 0x09,    WS_PONG_FRAME = 0x0A,    WS_OPENING_FRAME = 0xF3,    WS_CLOSING_FRAME = 0x08};

参考资料：

https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/WebSockets_API/Writing_WebSocket_server

https://www.ibm.com/developerworks/cn/web/1112_huangxa_websocket/

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