websocket的原理

首先明确几点:

1.  websocket是一种协议。是html5的一种新协议；
2.  与http的区别是，它是一种双向通信协议，服务器和客户端都能主动向对方发送或接受数据；
3.  websocket需要进行握手连接之后才能进行通信；

由此我们便知道了websocket诞生的意义:

传统的HTTP请求方式,是客户端发送请求服务端响应的形式,这种方式在应对信息变化不是很频繁的应用时还能较好的应对,但是对于实时要求/海量并发的应用来说显得不是很给力,尤其在当前业界移动的互联网蓬勃发展的趋势下,高并发与用户实时响应是web应用经常面临的问题,比如金融证券的实时信息,web导航应用中的地理位置获取,社交网络的实时消息推送等.

基于HTTP,我们也有实时通讯的方案,比如轮询,比如使用flash的socket,但是这些都是非标准的,而且代价较大,HTML5的标准化组织需要针对实时通讯的应用场景提供一套业界同意的规范,那就是websocket.

socket通信方式

socket的概念最初出现在linux网络编程中,socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层,他把TCP连接建立和释放的过程惊醒了一层封装,提供出接口给应用层.

socket是如何与对应网络中的进程进行通信的呢?

我们知道两个进程如果需要进行通讯最基本的一个前提能能够唯一的标示一个进程,在本地进程通讯中我们可以使用PID来唯一标示一个进程,但PID只在本地唯一,网络中的两个进程PID冲突几率很大,这是后我们需要另辟蹊径了,我们知道ip层的IP地址可以唯一标示主机,而TCP层协议和端口可以唯一标示一个进程,这样我们可以利用IP地址+协议+端口号唯一标示网络中的一个进程.

那么在进行socket接口调用了时候,传递上述唯一标示之后,生成响应的协议请求,双向通信就能通过socket进行了.

websocket的作用也是模仿socket的通信能力,但是不同的是,它本身是一种协议,浏览器和服务端会对这种协议进行解析,他是基于基础TCP连接的,所以本身它是具有建立双向连接的能力的,只不过具体的数据传输方式和一些针对web实时通讯的特性需要在websocket中进行定义.

websocket简介

传统的HTTP请求方式:

websocket的通信方式

可以看到,HTTP请求每次与服务端交互一定的重新建立连接,但是websocket协议之需要双方通过握手建立连接,在连接释放之前,客户端和服务端可以相互接受和传递数据,因为双方通过协议是知道建立websocket连接各自进程的端口号.

在客户端中,我们需要使用websocket对象,去连接ws://这样的服务端url,这样客户端就会自动解析并识别websocket请求从而和服务端通过握手建立连接.

websocket客户端连接报文

GET /webfin/websocket/ HTTP/1.1
Host: localhost
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: xqBt3ImNzJbYqRINxEFlkg==
Origin: http://localhost:8080
Sec-WebSocket-Version: 13

其中,"Sec-WebSocket-Key"是websocket客户端发送的一个base64编码的密文,要求服务端必须返回一个对应加密的"Sec-Socket-Accept"应答,否则客户端会抛出"Error during WebSocket handshake"错误,并关闭连接.

websocket服务端响应报文

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: K7DJLdLooIwIG/MOpvWFB3y3FE8=

"Sec-WebSocket-Accept"的值是服务端采用与客户端一直的秘钥计算出来后返回客户端的,"HTTP/1.1 101 Switching Protocols"表示服务端接受WebSocket连接握手成功,后续就可以进行TCP通讯了.

websocket的实现

要实现websocket,必须客户端和服务端都要支持这个协议.

Tomcat在新版本中提供了WebSocketServle对象,用于支持websocket,php肯定也有自己的websocket封装.

而在客户端HTML5提佛那个了标准的websocket API ,demo实现如下:

var ws = new WebSocket(“ws://echo.websocket.org”);
ws.onopen = function(){ws.send(“Test!”); };
ws.onmessage = function(evt){console.log(evt.data);ws.close();};
ws.onclose = function(evt){console.log(“WebSocketClosed!”);};
ws.onerror = function(evt){console.log(“WebSocketError!”);};
ws.send("hello");//向服务器发送消息

第一行代码是在申请一个websocket对象,参数是需要连接的服务器端的地址,同HTTP协议开头一样,websocket协议的url使用ws://开头,另外安全的websocket协议使用ws://开头

第二行到第五行为websocket对象注册消息的处理函数,websocket对象一共支持四个消息 onopen, onmessage, onclose, onerror,有了这四个事件,我们就可以很容易很轻松驾驭websocket.

当Browser和websocketserver连接成功后,会触发onopen消息,如果连接失败,发送.接收数据失败或者处理数据出现错误,browser会触发onerror消息;当browser接收到websocketserver发送过来的数据时,就会触发onmessage消息,参数evt中包含server传输过来的数据;当browser接收到websocket端发送的关闭连接请求时,就触发onclose消息,我们可以看出所有的操作都是采用一步回调的方法触发,这样不会阻塞UI,可以获得更快的响应时间,更好的用户体验.

websocket的加密与解密

加密:

import struct
msg_bytes = "the emperor has not been half-baked in the early days of the collapse of the road, today down three points, yizhou weakness, this serious crisis autumn".encode("utf8")
token = b"\x81" # + 数据长度/运算位 + mask/数据长度 + mask/数据 + 数据
length = len(msg_bytes)

if length < 126:
    token += struct.pack("B", length)
elif length == 126:
    token += struct.pack("!BH", 126, length)
else:
    token += struct.pack("!BQ", 127, length)

msg = token + msg_bytes

print(msg)

解密:

#b'\x81\x89\xf3\x99\x81-\x15\x05\x01\xcbO\x1be\x97]'
#b'\x81\x85s\x92a\x10\x1b\xf7\r|\x1c'
#b'\x81\x83H\xc0x\xa6y\xf2K'

hashstr = b'\x81\x85s\x92a\x10\x1b\xf7\r|\x1c'
# b'\x81 \x85s \x92a\x10\x1b\xf7  \r|\x1c' <126
# \x85s = 5
# print(chushibiao[1],chushibiao[1]&127)
# print(chushibiao[2:4],chushibiao[4:8])
# 将第二个字节也就是 \x83 第9-16位 进行与127进行位运算
payload = hashstr[1] & 127
print(payload)
if payload == 127:
    extend_payload_len = hashstr[2:10]
    mask = hashstr[10:14]
    decoded = hashstr[14:]
# 当位运算结果等于127时,则第3-10个字节为数据长度
# 第11-14字节为mask 解密所需字符串
# 则数据为第15字节至结尾

if payload == 126:
    extend_payload_len = hashstr[2:4]
    mask = hashstr[4:8]
    decoded = hashstr[8:]
# 当位运算结果等于126时,则第3-4个字节为数据长度
# 第5-8字节为mask 解密所需字符串
# 则数据为第9字节至结尾

if payload <= 125:
    extend_payload_len = None
    mask = hashstr[2:6]
    decoded = hashstr[6:]

# 当位运算结果小于等于125时,则这个数字就是数据的长度
# 第3-6字节为mask 解密所需字符串
# 则数据为第7字节至结尾

str_byte = bytearray()
# b'\x81 \x85s \x92a\x10\x1b \xf7\r|\x1c' <126
for i in range(len(decoded)): # 0  \xf7 ^ \x92a 1 \r ^ \x10 \x1c ^ \x1b
    byte = decoded[i] ^ mask[i % 4]
    str_byte.append(byte)

print(str_byte.decode("utf8"))