[网络协议]关于WebSocket协议解析及实现

前言

关于实现持久连接的全双工双向通信，websocket协议摒弃了http协议的各种轮询机制。

注：WebSocket协议的目标是在一个独立的持久连接上提供全双工双向通信。客户端和服务器可以向对方主动发送和接受数据。在JS中创建WebSocket后，会有一个HTTP请求发向浏览器以发起请求。在取得服务器响应后，建立的连接会使用HTTP升级将HTTP协议转换为WebSocket协议。也就是说，使用标准的HTTP协议无法实现WebSocket，只有支持那些协议的专门浏览器才能正常工作。

websocket与http的对比

WebSocket连接

WebSocket是应用层协议，是TCP/IP协议的子集，通过HTTP/1.1协议的101状态码进行握手。也就是说，WebSocket协议的建立需要先借助HTTP协议，在服务器返回101状态码之后，就可以进行websocket全双工双向通信了，后续将不会再用到Htttp协议。

客户端发送消息：

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Version: 13

服务端返回消息：

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

这里值得注意的是Sec-WebSocket-Accept的计算方法：
base64(hsa1(sec-websocket-key + 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11))
如果这个Sec-WebSocket-Accept计算错误浏览器会提示：Sec-WebSocket-Accept dismatch
如果返回成功，Websocket就会回调onopen事件

２、传输阶段

Websocket的数据传输是frame形式传输的，比如会将一条消息分为几个frame，按照先后顺序传输出去。这样做会有几个好处：

• a、大数据的传输可以分片传输，不用考虑到数据大小导致的长度标志位不足够的情况。
• b、和http的chunk一样，可以边生成数据边传递消息，即提高传输效率。

websocket传输使用的协议如下图：

参数说明如下：

• FIN：1位，用来表明这是一个消息的最后的消息片断，当然第一个消息片断也可能是最后的一个消息片断；

• RSV1, RSV2, RSV3: 分别都是1位，如果双方之间没有约定自定义协议，那么这几位的值都必须为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，连接也必须断掉，以下是定义的操作码：

  *  %x0 表示连续消息片断
  *  %x1 表示文本消息片断
  *  %x2 表未二进制消息片断
  *  %x3-7 为将来的非控制消息片断保留的操作码
  *  %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断的保留操作码
  

• Mask: 1位，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。

• 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。

• 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。

• Application 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。

webSocket实现（kotlin+okhttp3）

   val req: Request = Request.Builder().url(url).build()
        val ws: okhttp3.WebSocket = client.newWebSocket(req, object : WebSocketListener() {
            var isRunning = false
            override fun onClosed(webSocket: WebSocket, code: Int, reason: String) {
                super.onClosed(webSocket, code, reason)
            }

            override fun onClosing(webSocket: WebSocket, code: Int, reason: String) {
                super.onClosing(webSocket, code, reason)
            }

            override fun onFailure(webSocket: WebSocket, t: Throwable, response: Response?) {
                super.onFailure(webSocket, t, response)
            }

            override fun onMessage(webSocket: WebSocket, text: String) {
                super.onMessage(webSocket, text)
            }

            override fun onMessage(webSocket: WebSocket, bytes: ByteString) {
                super.onMessage(webSocket, bytes)
            }

            override fun onOpen(webSocket: WebSocket, response: Response) {
                super.onOpen(webSocket, response)
            }
        })