linux网络编程4——WebSocket协议及服务器的简易实现
文章目录
- 1. WebSocket服务器介绍
- 1.1 WebSocket 协议的特点
- 1.2 WebSocket 与 HTTP 的区别：
- 1.3 WebSocket 的应用场景：
- 2. WebSocket握手协议详解
- 3. 可能出现的错误
- 4. 握手协议编码实现
- 5. websocket传输协议实现
- 5.1 websocket帧格式
- 5.2 解包客户端数据
- 5.3 服务端发包
- 学习参考
1. WebSocket服务器介绍
本文详细介绍了WebSocket协议的特点、与HTTP的区别以及应用场景；然后分析了WebSocket协议的主要内容；最后借助前面的底层reactor的代码实现了一个WebSocket协议的Web服务器。
完整项目代码参考:我的github项目
WebSocket 是一种在客户端（通常是浏览器）和服务器之间建立双向通信通道的协议，允许它们通过一个持久的 TCP 连接进行实时数据交换。与传统的 HTTP 请求-响应模型不同，WebSocket 提供了全双工（full-duplex）的通信，即客户端和服务器都可以在任何时间向对方发送消息，而无需等待响应。
1.1 WebSocket 协议的特点
- 持久连接：WebSocket 建立连接后，它保持打开状态，客户端和服务器之间可以持续交换数据，直到连接被一方主动关闭。
- 全双工通信：双向通信通道可以同时发送和接收数据。服务器可以在不依赖客户端请求的情况下推送数据。
- 减少网络开销：WebSocket 通过升级一次 HTTP 请求来建立连接，之后的数据交换只通过轻量的 WebSocket 帧格式，而不像 HTTP 需要额外的请求头部信息，因而大大减少了网络开销。
- 实时数据传输：适合实时应用，如在线聊天、股票行情、游戏、物联网数据传输等。
WebSocket协议是通过HTTP1.1协议的握手过程建立的，但连接建立后两者的通信机制完全不同。
WebSocket握手头部：
GET /chat HTTP/1.1
Host: example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Sec-WebSocket-Version: 13
WebSocket握手成功后升级连接：
HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
1.2 WebSocket 与 HTTP 的区别：
- 双向通信 vs 单向请求响应：HTTP 是单向的请求-响应模型，客户端必须发起请求，服务器响应。而 WebSocket 是双向的，双方可以随时发送数据。
- 持久连接：HTTP 需要每次发起新的连接请求（即使是 HTTP/1.1，也需要保持连接），而 WebSocket 在建立连接后，连接是持久的，直到主动关闭。
- 协议头部大小：HTTP 请求和响应头部信息较多，而 WebSocket 帧的协议头部相对较少，减少了数据传输的开销。
1.3 WebSocket 的应用场景：
Http协议和WebSocket协议常常结合使用，例如HTTP用于初始的页面加载和静态资源获取，WebSocket用于需要长时间实时交互的场景。
- 实时聊天：像 Slack、微信、Facebook Messenger 这样需要实时通信的应用。
- 实时股票行情：股票交易平台、加密货币交易所等，需要不断推送最新的市场数据。
- 多人在线游戏：游戏服务器需要与每个客户端频繁、实时交换数据。
- 实时通知系统：例如社交网络中的通知，或电子商务中的订单更新。
- IoT 设备管理：物联网应用可以使用 WebSocket 实时管理和监控设备的状态。
2. WebSocket握手协议详解
主要介绍握手协议，在握手阶段，客户端会在请求头中发送一个sec-websocket-key
sec-websocket-key: e3bLzpFK7Li8RHh8DZL87A==
服务器需要拿到这个key值，然后进行如下计算
- 将key与一个GUID连结，该GUID值为
258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11，得到input - 使用SHA-1算法计算input得到input2
- 使用base64算法计算input2得到ouput
最后在响应头中发送sec-websocket-Accpet头即可
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
之后，双方可以保持连接，进行实时的全双工的交互。
3. 可能出现的错误
-
编译时链接器显示找不到一些符号的定义
记得链接ssl库和crypto库
gcc -o xxx xxx1.c xxx2.c -lssl -lcrypto -
客户端发送”unknown opcode"，并主动关闭连接
一定是服务端发送的数据不符合协议，或者Sec-WebSocket-Accept值有误。
4. 握手协议编码实现
这里只实现了建立握手协议这一环节，连接建立后发送的消息都应该遵守websocket协议的格式。完整的websocket回声服务器代码可参考完整项目代码参考:我的github项目。
完整的websocket协议请参考rfc6455。
#include , conn->rbuffer);
if (conn->status == 0)
{
handshake(conn);
conn->status = 1;
}
else if (conn->status == 1)
{
int ret = 0;
conn->payload = decode_packet((unsigned char *)conn->rbuffer, conn->mask, conn->rlength, &ret);
printf("data: %s, length: %d
", conn->payload, ret);
conn->wlength = ret;
conn->status = 2;
}
return 0;
}
int ws_response(struct Conn *conn)
{
if (conn->status == 2)
{
conn->wlength = encode_packet(conn->wbuffer, conn->mask, conn->payload, conn->wlength);
conn->status = 1;
}
conn->wbuffer[conn->wlength] = 0;
printf(">>>>output>>>>
%s
", conn->wbuffer);
return 0;
}
5. websocket传输协议实现
5.1 websocket帧格式
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
|F|R|R|R| opcode|M| Payload len | Extended payload length |
|I|S|S|S| (4) |A| (7) | (16/64) |
|N|V|V|V| |S| | (if payload len==126/127) |
| |1|2|3| |K| | |
+-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +
| Extended payload length continued, if payload len == 127 |
+ - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+
| |Masking-key, if MASK set to 1 |
+-------------------------------+-------------------------------+
| Masking-key (continued) | Payload Data |
+-------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - +
: Payload Data continued ... :
+ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +
| Payload Data continued ... |
+---------------------------------------------------------------+
rfc6455 5.2介绍了各个域的作用，对应的如果要实现该协议就要定义相关的结构体
struct _nty_ophdr {
unsigned char opcode:4,
rsv3:1,
rsv2:1,
rsv1:1,
fin:1;
unsigned char payload_length:7,
mask:1;
} __attribute__ ((packed));
struct _nty_websocket_head_126 {
unsigned short payload_length;
char mask_key[4];
unsigned char data[8];
} __attribute__ ((packed));
struct _nty_websocket_head_127 {
unsigned long long payload_length;
char mask_key[4];
unsigned char data[8];
} __attribute__ ((packed));
typedef struct _nty_websocket_head_127 nty_websocket_head_127;
typedef struct _nty_websocket_head_126 nty_websocket_head_126;
typedef struct _nty_ophdr nty_ophdr;
__attribute__ ((packed))是 GNU C 编译器（GCC）的一个扩展，用于告诉编译器不对结构体的成员进行内存对齐。通常，编译器为了提高访问效率，会按照特定的字节对齐规则来放置结构体成员。使用packed属性后，编译器不会对齐字段，而是按照定义的顺序紧凑地存储它们，节省内存空间。
5.2 解包客户端数据
rfc6455 5.3规定了客户端向服务端发送的数据必须经过掩码加密，其原理是用8位的mask-key对原数据一次逐字节进行异或操作，这样加密和解密的过程是完全一样的。
在协议帧中masking-key有4字节，协议规定，对payload[i]对应的maskkey为masking-key[i mod 4]，这样就可以写出其加解密算法了：
void demask(char *data,int len,char *mask){
int i;
for (i = 0;i < len;i ++)
*(data+i) ^= *(mask+(i%4));
}
这样对于服务端的解包操作，就是解密payload，拿到原数据。
char* decode_packet(unsigned char *stream, char *mask, int length, int *ret) {
nty_ophdr *hdr = (nty_ophdr*)stream;
unsigned char *data = stream + sizeof(nty_ophdr);
int size = 0;
int start = 0;
//char mask[4] = {0};
int i = 0;
if ((hdr->payload_length & 0x7F) == 126) {
nty_websocket_head_126 *hdr126 = (nty_websocket_head_126*)data;
size = hdr126->payload_length;
for (i = 0;i < 4;i ++) {
mask[i] = hdr126->mask_key[i];
}
start = 8;
} else if ((hdr->payload_length & 0x7F) == 127) {
nty_websocket_head_127 *hdr127 = (nty_websocket_head_127*)data;
size = hdr127->payload_length;
for (i = 0;i < 4;i ++) {
mask[i] = hdr127->mask_key[i];
}
start = 14;
} else {
size = hdr->payload_length;
memcpy(mask, data, 4);
start = 6;
}
*ret = size;
demask(stream+start, size, mask);
return stream + start;
}
5.3 服务端发包
对于服务端的发包操作，只需要填充相应的协议字段即可，不需要掩码加密。
int encode_packet(char *buffer,char *mask, char *stream, int length) {
nty_ophdr head = {0};
head.fin = 1;
head.opcode = 1;
int size = 0;
if (length < 126) {
head.payload_length = length;
memcpy(buffer, &head, sizeof(nty_ophdr));
size = 2;
} else if (length < 0xffff) {
nty_websocket_head_126 hdr = {0};
hdr.payload_length = length;
memcpy(hdr.mask_key, mask, 4);
memcpy(buffer, &head, sizeof(nty_ophdr));
memcpy(buffer+sizeof(nty_ophdr), &hdr, sizeof(nty_websocket_head_126));
size = sizeof(nty_websocket_head_126);
} else {
nty_websocket_head_127 hdr = {0};
hdr.payload_length = length;
memcpy(hdr.mask_key, mask, 4);
memcpy(buffer, &head, sizeof(nty_ophdr));
memcpy(buffer+sizeof(nty_ophdr), &hdr, sizeof(nty_websocket_head_127));
size = sizeof(nty_websocket_head_127);
}
memcpy(buffer+2, stream, length);
return length + 2;
}
学习参考
学习更多相关知识请参考零声 github。
