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一文詳解WebSocket協(xié)議

jf_uPRfTJDa ? 來源: 移動Labs ? 2024-01-07 11:26 ? 次閱讀
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Labs 導讀

在WebSocket出現(xiàn)之前,一個Web應用(即時聊天、多人協(xié)作)的客戶端和服務端之間常見的雙向數(shù)據(jù)交換方式有短輪詢、長輪詢、SSE(Server-Sent Events,服務器發(fā)送事件)。這些方式在效率和網(wǎng)絡帶寬利用率方面存在諸多問題。WebSocket協(xié)議應運而生,對外提供了簡單的雙向數(shù)據(jù)傳輸能力。

作者:朱磊

單位:中國移動智慧家庭運營中心成都業(yè)務支持中心

Part 01介紹

WebSocket是一種在TCP連接上進行全雙工通訊的網(wǎng)絡通信協(xié)議。在2009年誕生,于2011年被IETF(The Internet Engineering Task Force,國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務組)定為標準并發(fā)布RFC 6455互聯(lián)網(wǎng)標準跟蹤文檔,2016發(fā)布了RFC7936文檔進行補充。WebSocket API同時也被W3C定為標準。

17c48bc0-ac77-11ee-8b88-92fbcf53809c.png

WebSocket協(xié)議設計之初是為了取代HTTP形式的通信,因為RFC6202中提到HTTP協(xié)議最初不是用來做雙向數(shù)據(jù)通信的。WebSocket協(xié)議并沒有完全舍棄HTTP,它基于HTTP基礎服務在現(xiàn)有環(huán)境中實現(xiàn)了雙向通信目標。正如RFC 6455中說的那樣,WebSocke的設計哲學是最小約束的框架,唯一的約束就是協(xié)議是基于幀而不是流,并且支持Unicode文本和二進制幀兩者。

Part 02握手

WebSocket協(xié)議分為建連握手、消息傳輸和斷連握手三個部分,整體流程如下圖所示。

17e18fe0-ac77-11ee-8b88-92fbcf53809c.png

2.1 建連握手-客戶端

為了兼容HTTP服務器側(cè)的應用程序和代理,客戶端的建連握手(包括通過代理或通過TLS加密隧道進行的連接)是一個遵循RFC2616中定義的有效HTTP升級請求,客戶端連接握手請求header部分字段如下圖所示。此外,客戶端一旦發(fā)送了的連接握手就必須等待來自服務器的響應。

17f426f0-ac77-11ee-8b88-92fbcf53809c.png

- 請求URI

格式,ws-URI = "ws:" "http://" host [ ":" port ] path [ "?" query ]或者wss-URI = "wss:" "http://" host [ ":" port ] path [ "?" query ],任何無效值都會造成建連失敗

- 請求行

必須是GET方法,HTTP版本至少是1.1

- Upgrade

值必須是“websocket”,ASCII值,不區(qū)分大小寫

- Connection

值必須包含“Upgrade”,ASCII值,不區(qū)分大小寫

- Sec-WebSocket-Key

客戶端為本次建連隨機生成的16字節(jié)base64編碼的字符串

- Origin

源地址,瀏覽器客戶端必填,非瀏覽器客戶端選填

- Sec-WebSocket-Protocol

客戶端支持的一個或多個以逗號分隔的子協(xié)議,按優(yōu)先級排序

- Sec-WebSocket-Version

客戶端擬使用協(xié)議版本號,值必須為13。歷史版本9、10、11和12不再作為有效值

- Sec-WebSocket-Extensions

客戶端擬使用協(xié)議擴展。目前HyBi Working Group進行了多路復用擴展和壓縮擴展,多路復用擴展實現(xiàn)共享底層TCP連接。壓縮擴展為WebSocket協(xié)議增加了壓縮功能,例如 x-webkit-deflate-frame

2.2 建連握手-服務端

當客戶端與服務端建立WebSocket連接時,服務端必須回復客戶端建連握手請求,握手回復header部分字段如下圖所示。

1801bbf8-ac77-11ee-8b88-92fbcf53809c.png

- 狀態(tài)行

HTTP/1.1 101 Switching Protocols,表示接受客戶端建連。若服務器想要停止處理客戶端的握手,可返回例如401這樣的錯誤代碼的HTTP響應

- Upgrade

值必須是“websocket”

- Connection

值必須包含“Upgrade”

- Sec-WebSocket-Accept

若服務端接受客戶端連接,生成該值。先將客戶端請求頭的 Sec-WebSocket-Key值與RFC4122文檔中定義的全局唯一標識“258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”拼接,然后進行SHA-1哈希再進行base64-encoded得到該值

- Sec-WebSocket-Protocol

服務端擬使用的協(xié)議,該值從客戶端發(fā)送的Sec-WebSocket-Protocol中選擇,若服務端都不支持,值為空

- Sec-WebSocket-Extensions

服務端擬使用協(xié)議擴展

2.3 斷接握手

客戶端和服務端都可以發(fā)送包含指定控制序列的控制幀(Close控制幀)以開始關閉握手。一方在接收到關閉控制幀時,只需發(fā)送一個關閉幀作為響應,然后關閉連接。存在攔截代理等情況下,TCP關閉握手并不總是可靠的端到端握手,上述關閉握手過程旨在補充TCP關閉握手(FIN/ACK)。

Part 03數(shù)據(jù)傳輸

客戶端一旦和服務端連接握手成功,雙方就可以開始數(shù)據(jù)傳輸了。這是一個雙向通信信道,在遵循RFC 6455規(guī)范中“消息”概念的基礎上,雙方均可以獨立地隨意發(fā)送數(shù)據(jù)。一條消息包含一個或者多個數(shù)據(jù)幀(不一定對應于網(wǎng)絡層中的消息),Websocket幀格式如下圖所示。

18130eee-ac77-11ee-8b88-92fbcf53809c.png

3.1 幀結構

- FIN

1位,表示是否是一條消息的最后一個分片。

- RSV1, RSV2, RSV3

1位,擴展功能未使用的情況下默認值為0。

- Opcode

4位,定義“Playload data”數(shù)據(jù)類型。

0(十進制):連續(xù)幀

1:文本幀

2:二進制幀

3-7:預留非控制幀

8:連接關閉幀

9:心跳ping幀

10:心跳pong幀

11-15:預留控制幀

- MASK

1位,是否屏蔽“Playload data”,1是,0否。

- Payload length

7位,或者7+16位,或者7+64位,表示Payload data的長度。具體地,Payload length小于125,數(shù)據(jù)長度用Payload length表示;Payload length等于126,數(shù)據(jù)長度用Payload length后面16位表示;Payload length等于127,數(shù)據(jù)長度用Payload length后面64位表示。

- Masking-key

32位,存放客戶端發(fā)送的掩碼。為了防止代理緩存污染攻擊,RFC6455中要求掩碼必須來自強大的熵源,不可被預測。常規(guī)算法以字節(jié)為步長遍歷載荷數(shù)據(jù), 對于載荷數(shù)據(jù)的第i個字節(jié), 做i對4取模得到j,掩碼覆蓋后的載荷數(shù)據(jù)的第i個字節(jié)的值為原第i個字節(jié)與Masking-Key的第j個字節(jié)做按位異或操作。

- Payload data

載荷數(shù)據(jù)分為擴展數(shù)據(jù)和應用數(shù)據(jù)兩種,擴展數(shù)據(jù)在握手階段協(xié)商是否使用,應用數(shù)據(jù)在擴展數(shù)據(jù)之后。

3.2 控制幀

控制幀由Opcode值確定,協(xié)議當前定義的控制幀的操作碼包括 0x8 (Close)、0x9(Ping)、和0xA(Pong)??刂茙仨氂幸粋€小于等于125字節(jié)的有效載荷長度,對于Close控制幀有效載荷的前2個字節(jié)表示狀態(tài)碼,剩余字節(jié)表示關閉原因,如下圖所示。

18207d72-ac77-11ee-8b88-92fbcf53809c.png

3.3 消息分片

消息分片指將概念上的一條“消息”通過多個數(shù)據(jù)幀發(fā)送。消息分片允許發(fā)送未知大小的消息,而不必緩沖整條消息。同時,消息分片結合多路復用協(xié)議的擴展,可以分割消息為更小的分段以共享輸出通道。

協(xié)議中分片消息開始幀的FIN位為0,opcode位為非0表示該幀為某消息分片,中間幀F(xiàn)IN位為0,opcode位為0,最后通過FIN位為1,opcode為0標識分片結束。協(xié)議要求分片數(shù)據(jù)幀按順序發(fā)送到另一端。

Part 04總結

WebSocke是設計在TCP層之上,不需要考慮數(shù)據(jù)長度,數(shù)據(jù)粘包拆包。也能通過擴展功能與HTTP/2多路復用結合,充分利用帶寬。開發(fā)者只需在服務端和客戶端代碼中按序處理消息分片邏輯。

審核編輯:湯梓紅

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原文標題:技術 | 淺談WebSocket協(xié)議-RFC 6455

文章出處:【微信號:5G通信,微信公眾號:5G通信】歡迎添加關注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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