WebSocket的通信過程與實現方法詳解

來源：懂視網責編：小采時間：2020-11-27 22:15:30

WebSocket的通信過程與實現方法詳解

WebSocket的通信過程與實現方法詳解:什么是 WebSocket ？ WebSocket 是一種標準協議，用于在客戶端和服務端之間進行雙向數據傳輸。但它跟 HTTP 沒什么關系，它是基于 TCP 的一種獨立實現。以前客戶端想知道服務端的處理進度，要不停地使用 Ajax 進行輪詢，讓瀏覽器隔個幾秒就向服務器發一次請

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RSV1, RSV2, RSV3：各占 1bit

一般情況下全為 0。當客戶端、服務端協商采用 WebSocket 擴展時，這三個標志位可以非
0，且值的含義由擴展進行定義。如果出現非零的值，且并沒有采用 WebSocket 擴展，連接出錯。

Opcode: 4bit

%x0：表示一個延續幀。當 Opcode 為 0 時，表示本次數據傳輸采用了數據分片，當前收到的數據幀為其中一個數據分片；
%x1：表示這是一個文本幀（text frame）；
%x2：表示這是一個二進制幀（binary frame）；
%x3-7：保留的操作代碼，用于后續定義的非控制幀；
%x8：表示連接斷開；
%x9：表示這是一個心跳請求（ping）；
%xA：表示這是一個心跳響應（pong）；
%xB-F：保留的操作代碼，用于后續定義的控制幀。

Mask: 1bit

表示是否要對數據載荷進行掩碼異或操作。
0：否
1：是

Payload length: 7bit or (7 + 16)bit or (7 + 64)bit

表示數據載荷的長度
0~126：數據的長度等于該值；
126：后續 2 個字節代表一個 16 位的無符號整數，該無符號整數的值為數據的長度；
127：后續 8 個字節代表一個 64 位的無符號整數（最高位為 0），該無符號整數的值為數據的長度。

Masking-key: 0 or 4bytes

當 Mask 為 1，則攜帶了 4 字節的 Masking-key；
當 Mask 為 0，則沒有 Masking-key。
掩碼算法：按位做循環異或運算，先對該位的索引取模來獲得 Masking-key 中對應的值 x，然后對該位與 x 做異或，從而得到真實的 byte 數據。
注意：掩碼的作用并不是為了防止數據泄密，而是為了防止早期版本的協議中存在的代理緩存污染攻擊（proxy cache poisoning attacks）等問題。

Payload Data: 載荷數據

解析 WebSocket 報文代碼如下：

def read_msg(data):
 logging.debug(data)

 msg_len = data[1] & 127 # 數據載荷的長度
 if msg_len == 126:
 mask = data[4:8] # Mask 掩碼
 content = data[8:] # 消息內容
 elif msg_len == 127:
 mask = data[10:14]
 content = data[14:]
 else:
 mask = data[2:6]
 content = data[6:]

 raw_str = '' # 解碼后的內容
 for i, d in enumerate(content):
 raw_str += chr(d ^ mask[i % 4])
 return raw_str

服務端發送 WebSocket 報文

返回時不攜帶掩碼，所以 Mask 位為 0，再按載荷數據的大小寫入長度，最后寫入載荷數據。

struct 模塊解析

struct.pack(fmt, v1, v2, ...)

按照給定的格式 fmt，把數據封裝成字符串 ( 實際上是類似于 C 結構體的字節流 )

struct 中支持的格式如下表：

Format	C Type	Python type	Standard size
x	pad byte	no value
c	char	bytes of length 1	1
b	signed char	integer	1
B	unsigned char	integer	1
?	_Bool	bool	1
h	short	integer	2
H	unsigned short	integer	2
i	int	integer	4
I	unsigned int	integer	4
l	long	integer	4
L	unsigned long	integer	4
q	long long	integer	8
Q	unsigned long long	integer	8
n	ssize_t	integer
N	size_t	integer
e	-7	float	2
f	float	float	4
d	double	float	8
s	char[]	bytes
p	char[]	bytes
P	void *	integer

為了同 C 語言中的結構體交換數據，還要考慮有的 C 或 C++ 編譯器使用了字節對齊，通常是以 4 個字節為單位的 32 位系統，故而 struct 根據本地機器字節順序轉換。可以用格式中的第一個字符來改變對齊方式，定義如下：

Character	Byte order	Size	Alignment
@	native	native	native
=	native	standard	none
<	little-endian	standard	none
>	big-endian	standard	none
!	network (= big-endian)	standard	none

發送 WebSocket 報文代碼如下：

def write_msg(message):
 data = struct.pack('B', 129) # 寫入第一個字節，10000001

 # 寫入包長度
 msg_len = len(message)
 if msg_len <= 125:
 data += struct.pack('B', msg_len)
 elif msg_len <= (2 ** 16 - 1):
 data += struct.pack('!BH', 126, msg_len)
 elif msg_len <= (2 ** 64 - 1):
 data += struct.pack('!BQ', 127, msg_len)
 else:
 logging.error('Message is too long!')
 return

 data += bytes(message, encoding='utf-8') # 寫入消息內容
 logging.debug(data)
 return data

總結

沒有其他能像 WebSocket 一樣實現全雙工傳輸的技術了，迄今為止，大部分開發者還是使用 Ajax 輪詢來實現，但這是個不太優雅的解決辦法，WebSocket 雖然用的人不多，可能是因為協議剛出來的時候有安全性的問題以及兼容的瀏覽器比較少，但現在都有解決。如果你有這些需求可以考慮使用 WebSocket：

多個用戶之間進行交互；

需要頻繁地向服務端請求更新數據。

比如彈幕、消息訂閱、多玩家游戲、協同編輯、股票基金實時報價、視頻會議、在線教育等需要高實時的場景。

參考文章

https://www.zhihu.com/question/20215561/answer/40316953

http://fullstackpython.atjiang.com/websockets.html

http://www.52im.net/thread-1341-1-1.html

總結

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