WebSocket协议

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WebSocket 是定义服务器和客户端如何通过 Web 通信的一种网络协议。组成互联网的协议组通常由 IETF（互联网工程任务组）发布。2011 年 12 月，IETF 发布 RFC，对 WebSocket 协议（RFC 6455）做出了精确地规定，其中，包含了实现 WebSocket 客户端和服务器端时必须遵循的原则。

简介

WebSocket 为 Web 应用程序保留了我们所喜欢的 HTTP 特性（URL、HTTP 安全性、更简单的基于数据模型的消息和内置的文本支持），同时提供了其他网络架构和通信模式。和 TCP 一样，WebSocket 是异步的，可以用作高级协议的传输层。

WebSocket 为 Web 应用程序提供了 TCP 风格的网络能力。寻址仍然是单向的，服务器可以异步向客户端发送数据，但是只在 WebSocket 连接打开时才能做到。WebSocket 服务器也可作为 WebSocket 客户端。WebSocket 客户端不能接受不是由它建立的连接。

WebSocket 的层次在 TCP/IP 之上，更在 HTTP 之上。

下表比较了 TCP、HTTP、WebSocket 三者的主要特性：

特性 TCP HTTP WebSocket
寻址 IP地址和端口 URL URL
并发传输 全双工 半双工 全双工
内容 字节流 MIME 消息 文本和二进制消息
消息定界 否 是 是
连接定向 是 否 否

WebSocket 连接握手

每个 WebSocket 连接都起始于一个 HTTP 请求。该请求类似普通的 HTTP 请求，但是其请求报文包含了一个特殊的头部字段名 Upgrade。这个字段名表示表示客户端将要把连接升级到一个不同的协议，这个协议就是 WebSocket 协议。

下面我们看一下具体的 HTTP 报文，使用 Chrome 或者 Firefox 打开 https://www.websocket.org/，在 Developer Tools 控制台输入以下代码：

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const ws = new WebSocket('wss://echo.websocket.org/echo');

以下是上面代码发起 WebSocket 连接所产生的 HTTP 请求报文：（摘自 Firefox Developer Tools，只列出部分数据）

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GET /echo HTTP/1.1
Host: echo.websocket.org
Origin: https://www.websocket.org
Sec-WebSocket-Version: 13
Sec-WebSocket-Key: N7ZEbE8f34TK6i59o+DEGA==
Connection: keep-alive, Upgrade
Upgrade: websocket

下面是服务器的响应报文：

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101 Web Socket Protocol Handshake
Connection: Upgrade
Date: Sat, 03 Dec 2016 03:30:38 GMT
Sec-WebSocket-Appect: WfkfBi2Tlw5EBRPcaQ4ReZQdtsE=
Server: Kaazing Gateway
Upgrade: websocket

像这种要求升级为 WebSocket 连接的 HTTP 请求，一般称之为 WebSocket 初始握手。

与普通 HTTP 连接相比，对于 WebSocket 初始握手而言，HTTP 请求报文中还必需以下首部字段名：

  • Sec-WebSocket-Version
  • Sec-WebSocket-Key
  • Upgrade ：

响应报文中必需以下首部字段名：

  • 101 Web Socket Protocol Handshake（服务器正常成功响应的情况下）
  • Sec-WebSocket-Appect
  • Upgrade

在成功升级协议之后，连接的语法切换为用于 WebSocket 消息的数据帧格式。

！！！注意 只有服务器响应 101 Web Socket Protocol Handshake、Upgarde: websocket 和 Sec-WebSocket-Accept，WebSocket 初始握手才能成功，才能建立起 WebSocket 连接。

计算响应键值

为了成功地完成 WebSocket 握手，WebSocket 服务器必须响应一个由客户端计算的键值。这个响应说明服务器理解 WebSocket 协议。没有精确响应，就可能诱导 HTTP 服务器意外地升级一个连接。

Sec-WebSocket-Accept 响应头部字段名的值从客户端 Sec-WebSocket-Key 请求头部字段名继承而来，包含一个特殊的响应键值，必须与客户端的预期精确匹配。

在服务器端，响应函数会从客户端发送的 Sec-WebSocket-Key 中取得键值，并在 Sec-WebSocket-Accept 中返回根据客户端预期计算出的匹配键值。

WebSocket Sec- 首部字段名

在 WebSocket 初始握手和响应键值的计算中，WebSocket 协议依靠 RFC-6455 中定义的 Sec- 首部字段名标志。下面列出了 RFC 6455 标准定义的 WebSocket Sec- 首部字段名，它们均是用于从客户端到服务器的 WebSocket 初始握手。其中有些是 HTTP 请求响应必需的，而有些是可选的。

  • Sec-WebSocket-Version ：表示版本兼容性。RFC 6455 的版本总是 13。(必需)
  • Sec-WebSocket-Key ：避免跨协议攻击。在 HTTP 请求中只能出现一次。(必需)
  • Sec-WebSocket-Accept ：确认服务器理解 WebScoket 协议。在 HTTP 响应中只能出现一次。(必需)
  • Sec-WebSocket-Extensions ：用于初始握手过程中从服务器到客户端的响应，帮助客户端和服务器商定一组连接期间使用的协议集扩展。可能在 HTTP 请求中出现多次，但是在 HTTP 响应中只出现一次。(可选)
  • Sec-WebSocket-Protocol ：用于初始握手过程从服务器到客户端的响应。这个首部字段名告诉客户端应用程序可以使用的协议。(可选)

消息格式

Web Socket 连接所发送的消息，在网络上用二进制语法表示。这些二进制语法标记了消息的边界并包含了简介的类型信息。更准确地说，这些二进制标志字段标记了另一个单位——帧 之间的边界。帧是可以组成消息的部分数据。一个消息可以由多个帧构成，但通常来说，很少有一个消息使用超过一个帧。

下图是 WebSocket 帧的特征示意图：

WebSocket 帧头的二进制代码主要负责：

  • 操作码
  • 长度
  • 解码文本
  • 掩码
  • 多帧消息

操作码

每条 WebSocket 消息都有一个指定消息载荷类型的操作码。操作码由帧头的第一个字节中最后 4bit 组成，值位数字类型。4bit 操作码共有 16 可能取值，WebSocket 协议只定义了 5 种。

操作码 消息载荷类型 描述
1 文本 消息数据类型为字符串
2 二进制 消息数据类型为二进制的
8 关闭 客户端或服务端向对方发送了关闭握手
9 ping 客户端或服务端向对方发送 ping
10(十六进制 0xA) pong 客户端或服务端向对方发送 pong

长度

WebSocket 协议使用可变位数来编码帧长度。

  1. < 126 字节的消息，长度用帧头前两个字节之一表示
  2. 126 ~ 216 字节的消息，使用额外的两个字节表示
  3. > 216 字节的消息，长度为 8 字节

长度编码保存于帧头第二个字节的最后 7bit。该字段中 126 和 127 两个值被当作特殊的信号，表示需要后面的字节才能完成长度解码。

解码文本

WebSocket 文本消息使用 UTF-8 编码，这是 WebSocket 文本消息允许的唯一编码。

掩码

从浏览器向服务器发送的 WebSocket 帧在实际内容之前还有一个 4字节的掩码，这是为了不常见的安全原因，以及改进与现有 HTTP 代理的兼容性。

WebSocket 协议要求客户端所发送的帧必需掩码，帧头在第二个字节的第一位表示该帧是否使用了掩码。

WebSocket 服务器接收的每个载荷在处理之前首先需要处理掩码，解除掩码之后，服务器将得到原始消息内容。二进制消息可以直接交付，文本消息将进行 UTF-8 解码并输出到字符串中。

多帧消息

帧格式中的 fin 标志位考虑了多帧消息或者部分可用消息的流化，这些消息可能不连续或者不完整。fin 标志位值为 0 表示当前帧不是消息的最后一帧，fin 标志位值为 1 表示当前帧是消息的最后一帧。

WebSocket 关闭握手

Web Socket 连接自身是可以在任何被关闭的，比如下层的 TCP 套接字突然关闭也会导致上层的 WebSocket 连接关闭。只有连接是由建立通信的双方在 WebSocket 层次上正常发起关闭的，那么才会以 WebSocket 关闭握手结束。

当进行 WebSocket 关闭握手时，终止连接的一端可以发送一个数字状态代码，以及一个表示关闭套接字原因的字符串。状态代码和原因编码为具有关闭操作码（8bit）的一个帧的载荷。数字代码用一个 16 位无符号整数表示，原因编码则是一个 UTF-8 编码的短字符串。RFC 6455 定义了多种特殊的关闭代码。代码 1000~1015 规定用于 WebSocket 连接层。这些代码表示网络中或协议中的某些故障。

下面列出了部分常用的 WebSocket 关闭握手代码：

代码 描述 使用场景
1000 正常关闭 会话成功完成时
1001 离开 应用程序离开且不期望后续连接尝试而关闭连接
1002 协议错误 协议错误而关闭连接
1003 不可接受的数据类型 应用程序接收到无法处理的意外类型消息
1007 无效数据 接收一个格式与消息类型不匹配的消息
1009 消息过大 接收消息太大，应用程序无法处理
1010 需要扩展 应用程序需要一个或多个服务器无法协商的特殊扩展时(客户端负责发送)
1011 意外情况 应用程序由于不可预见的原因，无法继续处理连接
1015 TLS失败(保留) 不要发送这个代码。它用于表示 TLS 在 WebSocket 握手之前失败

对其他协议的支持

WebSocket 协议支持更高级的协议和协议商。在 WebSocket 客户端编程中，协议协商表现为 WebSocket 构造函数的第二个参数值。而在 HTTP 请求中，协议协商表示为可选 HTTP 首部字端 Sec-WebSocket-Protocol 的值。

服务器会根据客户端的 HTTP 请求中 Sec-WebSocket-Protocol 提供的协议来进行协议协商，然后将其选定的协议名作为 Sec-WebSocket-Protocol 的值在 HTTP 响应头中发给客户端。

扩展

不能同时协商多个协议，但是可以同时协商多个扩展。

HTTP 请求中可选的首部字段名 Sec-WebSocket-Extensions 用于扩展 WebSocket 协议，其值为所支持的扩展名称。

扩展可以为帧添加新的操作码和数据字段。