作者：wzhvictor 來(lái)源：https://segmentfault.com/a/1190000014643900
什么是 WebSocket ？
WebSocket 是一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，用于在客戶端和服務(wù)端之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。但它跟 HTTP 沒(méi)什么關(guān)系，它是基于 TCP 的一種獨(dú)立實(shí)現(xiàn)。
以前客戶端想知道服務(wù)端的處理進(jìn)度，要不停地使用 Ajax 進(jìn)行輪詢，讓瀏覽器隔個(gè)幾秒就向服務(wù)器發(fā)一次請(qǐng)求，這對(duì)服務(wù)器壓力較大。另外一種輪詢就是采用 long poll 的方式，這就跟打電話差不多，沒(méi)收到消息就一直不掛電話，也就是說(shuō)，客戶端發(fā)起連接后，如果沒(méi)消息，就一直不返回 Response 給客戶端，連接階段一直是阻塞的。
而 WebSocket 解決了 HTTP 的這幾個(gè)難題。當(dāng)服務(wù)器完成協(xié)議升級(jí)后（ HTTP -> WebSocket ），服務(wù)端可以主動(dòng)推送信息給客戶端，解決了輪詢?cè)斐傻耐窖舆t問(wèn)題。由于 WebSocket 只需要一次 HTTP 握手，服務(wù)端就能一直與客戶端保持通信，直到關(guān)閉連接，這樣就解決了服務(wù)器需要反復(fù)解析 HTTP 協(xié)議，減少了資源的開銷。
隨著新標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)，WebSocket 已經(jīng)比較成熟了，并且各個(gè)主流瀏覽器對(duì) WebSocket 的支持情況比較好（不兼容低版本 IE，IE 10 以下），有空可以看看。
使用 WebSocket 的時(shí)候，前端使用是比較規(guī)范的，js 支持 ws 協(xié)議，感覺(jué)類似于一個(gè)輕度封裝的 Socket 協(xié)議，只是以前需要自己維護(hù) Socket 的連接，現(xiàn)在能夠以比較標(biāo)準(zhǔn)的方法來(lái)進(jìn)行。
下面我們就結(jié)合上圖具體來(lái)聊一下 WebSocket 的通信過(guò)程。
建立連接
客戶端請(qǐng)求報(bào)文 Header
客戶端請(qǐng)求報(bào)文：
GET / HTTP/1.1 Upgrade: websocket Connection: Upgrade Host: example.com Origin: http://example.com Sec-WebSocket-Key: sN9cRrP/n9NdMgdcy2VJFQ== Sec-WebSocket-Version: 13
與傳統(tǒng) HTTP 報(bào)文不同的地方：
Upgrade: websocket Connection: Upgrade
這兩行表示發(fā)起的是 WebSocket 協(xié)議。
Sec-WebSocket-Key: sN9cRrP/n9NdMgdcy2VJFQ== Sec-WebSocket-Version: 13
Sec-WebSocket-Key 是由瀏覽器隨機(jī)生成的，提供基本的防護(hù)，防止惡意或者無(wú)意的連接。
Sec-WebSocket-Version 表示 WebSocket 的版本，最初 WebSocket 協(xié)議太多，不同廠商都有自己的協(xié)議版本，不過(guò)現(xiàn)在已經(jīng)定下來(lái)了。如果服務(wù)端不支持該版本，需要返回一個(gè) Sec-WebSocket-Versionheader，里面包含服務(wù)端支持的版本號(hào)。
創(chuàng)建 WebSocket 對(duì)象：
var ws = new websocket("ws://127.0.0.1:8001");
ws 表示使用 WebSocket 協(xié)議，后面接地址及端口
完整的客戶端代碼：
服務(wù)端響應(yīng)報(bào)文 Header
首先我們來(lái)看看服務(wù)端的響應(yīng)報(bào)文：
HTTP/1.1 101 Switching Protocols Upgrade: websocket Connection: Upgrade Sec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk= Sec-WebSocket-Protocol: chat
我們一行行來(lái)解釋
- 首先，101 狀態(tài)碼表示服務(wù)器已經(jīng)理解了客戶端的請(qǐng)求，并將通過(guò) Upgrade 消息頭通知客戶端采用不同的協(xié)議來(lái)完成這個(gè)請(qǐng)求；
- 然后，Sec-WebSocket-Accept 這個(gè)則是經(jīng)過(guò)服務(wù)器確認(rèn)，并且加密過(guò)后的 Sec-WebSocket-Key；
- 最后，Sec-WebSocket-Protocol 則是表示最終使用的協(xié)議。
Sec-WebSocket-Accept 的計(jì)算方法：
- 將 Sec-WebSocket-Key 跟 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 拼接；
- 通過(guò) SHA1 計(jì)算出摘要，并轉(zhuǎn)成 base64 字符串。
注意：Sec-WebSocket-Key/Sec-WebSocket-Accept 的換算，只能帶來(lái)基本的保障，但連接是否安全、數(shù)據(jù)是否安全、客戶端 / 服務(wù)端是否合法的 ws 客戶端、ws 服務(wù)端，其實(shí)并沒(méi)有實(shí)際性的保證。
創(chuàng)建主線程，用于實(shí)現(xiàn)接受 WebSocket 建立請(qǐng)求：
進(jìn)行通信
服務(wù)端解析 WebSocket 報(bào)文
Server 端接收到 Client 發(fā)來(lái)的報(bào)文需要進(jìn)行解析
Client 包格式
1、FIN: 占 1bit
0：不是消息的最后一個(gè)分片
1：是消息的最后一個(gè)分片
2、RSV1, RSV2, RSV3：各占 1bit
一般情況下全為 0。當(dāng)客戶端、服務(wù)端協(xié)商采用 WebSocket 擴(kuò)展時(shí)，這三個(gè)標(biāo)志位可以非0，且值的含義由擴(kuò)展進(jìn)行定義。如果出現(xiàn)非零的值，且并沒(méi)有采用 WebSocket 擴(kuò)展，連接出錯(cuò)。
3、Opcode: 4bit
- %x0：表示一個(gè)延續(xù)幀。當(dāng) Opcode 為 0 時(shí)，表示本次數(shù)據(jù)傳輸采用了數(shù)據(jù)分片，當(dāng)前收到的數(shù)據(jù)幀為其中一個(gè)數(shù)據(jù)分片；
- %x1：表示這是一個(gè)文本幀（text frame）；
- %x2：表示這是一個(gè)二進(jìn)制幀（binary frame）；
- %x3-7：保留的操作代碼，用于后續(xù)定義的非控制幀；
- %x8：表示連接斷開；
- %x9：表示這是一個(gè)心跳請(qǐng)求（ping）；
- %xA：表示這是一個(gè)心跳響應(yīng)（pong）；
- %xB-F：保留的操作代碼，用于后續(xù)定義的控制幀。
4、Mask: 1bit
表示是否要對(duì)數(shù)據(jù)載荷進(jìn)行掩碼異或操作。
0：否
1：是
5、Payload length: 7bit or (7 + 16)bit or (7 + 64)bit
表示數(shù)據(jù)載荷的長(zhǎng)度
- 0~126：數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度等于該值；
- 126：后續(xù) 2 個(gè)字節(jié)代表一個(gè) 16 位的無(wú)符號(hào)整數(shù)，該無(wú)符號(hào)整數(shù)的值為數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度；
- 127：后續(xù) 8 個(gè)字節(jié)代表一個(gè) 64 位的無(wú)符號(hào)整數(shù)（最高位為 0），該無(wú)符號(hào)整數(shù)的值為數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。
6、Masking-key: 0 or 4bytes
- 當(dāng) Mask 為 1，則攜帶了 4 字節(jié)的 Masking-key；
- 當(dāng) Mask 為 0，則沒(méi)有 Masking-key。
掩碼算法：按位做循環(huán)異或運(yùn)算，先對(duì)該位的索引取模來(lái)獲得 Masking-key 中對(duì)應(yīng)的值 x，然后對(duì)該位與 x 做異或，從而得到真實(shí)的 byte 數(shù)據(jù)。
注意：掩碼的作用并不是為了防止數(shù)據(jù)泄密，而是為了防止早期版本的協(xié)議中存在的代理緩存污染攻擊（proxy cache poisoning attacks）等問(wèn)題。
7、Payload Data: 載荷數(shù)據(jù)
解析 WebSocket 報(bào)文代碼如下：
服務(wù)端發(fā)送 WebSocket 報(bào)文
返回時(shí)不攜帶掩碼，所以 Mask 位為 0，再按載荷數(shù)據(jù)的大小寫入長(zhǎng)度，最后寫入載荷數(shù)據(jù)。
struct 模塊解析
struct.pack(fmt, v1, v2, ...)
按照給定的格式 fmt，把數(shù)據(jù)封裝成字符串 ( 實(shí)際上是類似于 C 結(jié)構(gòu)體的字節(jié)流 )
struct 中支持的格式如下表：
為了同 C 語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)體交換數(shù)據(jù)，還要考慮有的 C 或 C++ 編譯器使用了字節(jié)對(duì)齊，通常是以 4 個(gè)字節(jié)為單位的 32 位系統(tǒng)，故而 struct 根據(jù)本地機(jī)器字節(jié)順序轉(zhuǎn)換。可以用格式中的第一個(gè)字符來(lái)改變對(duì)齊方式，定義如下：
發(fā)送 WebSocket 報(bào)文代碼如下：
總結(jié)
沒(méi)有其他能像 WebSocket 一樣實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸?shù)募夹g(shù)了，迄今為止，大部分開發(fā)者還是使用 Ajax 輪詢來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這是個(gè)不太優(yōu)雅的解決辦法，WebSocket 雖然用的人不多，可能是因?yàn)閰f(xié)議剛出來(lái)的時(shí)候有安全性的問(wèn)題以及兼容的瀏覽器比較少，但現(xiàn)在都有解決。如果你有這些需求可以考慮使用 WebSocket：
- 多個(gè)用戶之間進(jìn)行交互；
- 需要頻繁地向服務(wù)端請(qǐng)求更新數(shù)據(jù)。
比如彈幕、消息訂閱、多玩家游戲、協(xié)同編輯、股票基金實(shí)時(shí)報(bào)價(jià)、視頻會(huì)議、在線教育等需要高實(shí)時(shí)的場(chǎng)景。
