Websocket 学习

一、含义

　　WebSocket 是一种在单个TCP连接上进行全双工通讯的协议。

　  WebSocket 使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。在WebSocket API中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。

二、Websocket 产生背景

　　很多网站为了实现推送技术，所用的技术都是轮询。

　　轮询是在特定的的时间间隔（如每1秒），由浏览器对服务器发出HTTP请求，然后由服务器返回最新的数据给客户端的浏览器。

　　传统的模式的缺点，即浏览器需要不断的向服务器发出请求，然而HTTP请求可能包含较长的头部，其中真正有效的数据可能只是很小的一部分，显然这样会浪费很多的带宽等资源。

　　比较新的技术去做轮询的效果是Comet。

　　Comet 是一种用于web的推送技术，能使服务器实时地将更新的信息传送到客户端，而无须客户端发出请求，目前有两种实现方式，长轮询和iframe流。

　　长轮询 是在打开一条连接以后保持，等待服务器推送来数据再关闭的方式。

　　iframe流 方式是在页面中插入一个隐藏的iframe，利用其src属性在服务器和客户端之间创建一条长链接，服务器向iframe传输数据（通常是HTML，内有负责插入信息的javascript），来实时更新页面。

　　Comet技术虽然可以双向通信，但依然需要反复发出请求。

　  Comet中，普遍采用的长链接，也会消耗服务器资源。

　　Websocket使用和 HTTP 相同的 TCP 端口，可以绕过大多数防火墙的限制。

　　默认情况下，Websocket协议使用80端口；运行在TLS之上时，默认使用443端口。

　　WebSocket 是独立的、创建在 TCP 上的协议。

　　Websocket 通过 HTTP/1.1 协议的101状态码进行握手。

　　为了创建Websocket连接，需要通过浏览器发出请求，之后服务器进行回应，这个过程通常称为“握手”（handshaking）。

三、Python编写Socket服务端

1.客户端

客户端：浏览器(必须要有socket包或者类库，一般自带，个别浏览器没有，所以websocket有局限性)
　　<script type="text/javascript">
　　　　# 创建连接
　　　　# 发送消息
　　　　# 接收验证消息 下面的一句话做了上面的三件事
　　　　var socket = new WebSocket("ws://127.0.0.1:8002/xxoo"); 

　　　　# 与服务器端连接成功后，自动执行
　　　　socket.onopen = function () {

　　　　};

　　　　# 服务器端向客户端发送数据时，自动执行
　　　　socket.onmessage = function (event) {

　　　　};
　　</script>

2.服务端

import socket

sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
sock.bind(('127.0.0.1', 8002))
sock.listen(5)
# 获取客户端socket对象
conn, address = sock.accept()
# 获取客户端的【握手】信息
data = conn.recv(1024)
...
...
...
conn.send('响应【握手】信息')

　　请求握手时，浏览器发来的请求信息

GET /chatsocket HTTP/1.1
Host: 127.0.0.1:8002
Connection: Upgrade
Pragma: no-cache
Cache-Control: no-cache
Upgrade: websocket
Origin: http://localhost:63342
Sec-WebSocket-Version: 13
Sec-WebSocket-Key: mnwFxiOlctXFN/DeMt1Amg==
Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits

请求和响应的【握手】信息需要遵循规则：

• 从请求【握手】信息中提取 Sec-WebSocket-Key
• 利用magic_string 和 Sec-WebSocket-Key 进行hmac1加密，再进行base64加密
• 将加密结果响应给客户端

注：magic string为：258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11

　   其中 Sec-WebSocket-Key: mnwFxiOlctXFN/DeMt1Amg== 是浏览器给服务端的一个随机字符串（mnwFxiOlctXFN/DeMt1Amg==），服务端需要给这个随机字符串进行加密，然后在给浏览器send数据的时候带上这个加密后的随机字符串，如果浏览器可以解密，那么就是说服务端支持websocket，进而进行建立连接通信。

　　提取Sec-WebSocket-Key值并加密：

import socket
import base64
import hashlib

def get_headers(data):
    """
    将请求头格式化成字典
    :param data:
    :return:
    """
    header_dict = {}
    data = str(data, encoding='utf-8')

    for i in data.split('\r\n'):
        print(i)
    header, body = data.split('\r\n\r\n', 1)
    header_list = header.split('\r\n')
    for i in range(0, len(header_list)):
        if i == 0:
            if len(header_list[i].split(' ')) == 3:
                header_dict['method'], header_dict['url'], header_dict['protocol'] = header_list[i].split(' ')
        else:
            k, v = header_list[i].split(':', 1)
            header_dict[k] = v.strip()
    return header_dict

sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
sock.bind(('127.0.0.1', 8002))
sock.listen(5)

conn, address = sock.accept()
data = conn.recv(1024)
headers = get_headers(data) # 提取请求头信息
# 对请求头中的sec-websocket-key进行加密
response_tpl = "HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n" \
      "Upgrade:websocket\r\n" \
      "Connection: Upgrade\r\n" \
      "Sec-WebSocket-Accept: %s\r\n" \
      "WebSocket-Location: ws://%s%s\r\n\r\n"
magic_string = '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11'
value = headers['Sec-WebSocket-Key'] + magic_string
ac = base64.b64encode(hashlib.sha1(value.encode('utf-8')).digest())
response_str = response_tpl % (ac.decode('utf-8'), headers['Host'], headers['url'])
# 响应【握手】信息
conn.send(bytes(response_str, encoding='utf-8'))
...
...
...

　　此外还有服务端需要实现封包解包的功能，而客户端浏览器的JS已经帮我们实现了封包解包了。

　　封包解包详见：武沛齐

网络编程：

　　day31--多进程和多线程

　　day32--同步锁、死锁递归锁、Event对象

　　day33--IO模型

　　day34--selectors、队列、生产者和消费者模型