WebSocket 协议分析

站长

2023年09月15日 21:36 · 阅读数 13

温馨Tips：阅读本文大约需要 10 分钟。

基本介绍

维基百科定义

WebSocket 是一种网络传输协议，可在单个 TCP 连接上进行全双工通信，位于 OSI 模型的应用层。WebSocket 协议在 2011 年由 IETF 标准化为 RFC 6455，后由 RFC 7936 补充规范。Web IDL 中的 WebSocket API 由 W3C 标准化。

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，两者之间就可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。

名词解释：

IETF: 全称 Internet Engineering Task Force（互联网工程任务组），是一个开放的标准组织，负责开发和推广自愿互联网标准，特别是构成 TCP/IP 协议族的标准。
Web IDL: 是一种接口描述语言格式，用于描述要在 Web 浏览器中实现的应用程序编程接口。

浏览器支持

WebSocket 协议分析

使用场景

凡是对 “消息” 推送有较高及时性的场景，都可以使用 WebSocket，例如：客服服务、邮件通知等服务。

历史

在浏览器未实现 WebSocket 的时候，想要实现服务端推送，通常会使用轮询或 长轮询 技术实现。

轮询

无脑定时发送请求去判断有没有新的“消息”。

长轮询

流程：

浏览器发送请求发送到服务器。
服务器在有“消息”之前不会关闭连接。
当有新“消息”时或挂起超时，服务器将对其请求作出响应。
浏览器立即发出一个新的请求。

WebSocket 协议分析

下面是 QQ 邮箱网页版长轮询请求截图：

WebSocket 协议分析

WebSocket 优点

较少的控制开销
更强的实时性
保持连接状态（无需基于类似 cookie 机制去维持会话状态）
更好的二进制支持
更好的压缩效果

知识普及

二进制

基本概念

bit: 位，二进制的最小单位，1 位表示 1 个 0 或 1
byte: 字节，每 8 位叫做 1 字节（Node buffer 类型：Uint8Array，即 buffer 中每个元素代表一个 8 位无符号数字，范围 0~255）
KB: 1024 个字节
MB: 1024 kb
有符号：二进制的第一位用作符号位（通常是 0 代表正数，1 代表负数），这样实际可表示的数值范围绝对值会减少一半（Int8Array表示 8 位有符号二进制数组，每个元素范围为：-128~127）
无符号：将有符号的第一位也用作数值表示，Uint8Array 就是一个无符号二进制数组

运算

WebSocket 协议分析

示例

   1 1 0 0 1 1 0 0
 & 1 0 0 1 1 0 1 1
————————————————————
   1 0 0 0 1 0 0 0

   1 1 0 0 1 1 0 0
 | 1 0 0 1 1 0 1 1
————————————————————
   1 1 0 1 1 1 1 1

   1 1 0 0 1 1 0 0
 ^ 1 0 0 1 1 0 1 1
————————————————————
   0 1 0 1 0 1 1 1

Note：用相同的数异或二次等于本身：0b1010 == (0b1010 ^ 0b1100 ^ 0b1100) == 10

 ~ 1 1 0 0 1 1 0 0
————————————————————
   0 0 1 1 0 0 1 1

   1 1 0 0 1 1 0 0 << 1
—————————————————————————
   1 0 0 1 1 0 0 0

Note：全部位向左移动一位，高位（左侧）的一个 1 被丢弃，低位（右侧）补充一个 0

   1 1 0 0 1 1 0 0 >> 1
—————————————————————————
   0 1 1 0 0 1 1 0

大小端

大端小端是不同的字节顺序存储方式，统称为字节序；
大端模式，高位在前，低位在后（和我们的阅读习惯一致）
小端模式， 与大端模式相反

Stream

流提供了两个主要优点：

内存效率: 无需加载大量的数据到内存中即可进行处理。
时间效率: 当获得数据之后即可立即开始处理数据，这样所需的时间更少，而不必等到整个数据有效负载可用才开始。

与 buffer 处理文件的内存占用对比

分别使用 buffer 及 stream 两种方式，对一个约为 61M 的文件做 md5 hash 摘要计算，来对比内存占用情况：

Buffer

const crypto = require('crypto');
const fs = require('fs');
const path = require('path');
const { performance } = require('perf_hooks');
const v8 = require('v8');

function bufferImpl() {
  v8.writeHeapSnapshot('buffer.1.heapsnapshot');

  const start = performance.now();
  const filename = path.join(__dirname, 'test.zip');
  const buffer = fs.readFileSync(filename);
  const hash = crypto.createHash('md5').update(buffer).digest('hex');

  v8.writeHeapSnapshot('buffer.2.heapsnapshot');

  console.log('Buffer Impl:');

  console.log('  Hash:', hash);
  console.log('  Cost:', performance.now() - start);
}

WebSocket 协议分析

Stream

const crypto = require('crypto');
const fs = require('fs');
const path = require('path');
const { performance } = require('perf_hooks');
const v8 = require('v8');

function streamImpl() {
  v8.writeHeapSnapshot('stream.1.heapsnapshot');

  const start = performance.now();
  const filename = path.join(__dirname, 'test.zip');
  const stream = fs.createReadStream(filename);
  const md5 = crypto.createHash('md5').setEncoding('hex');
  const hash = stream.pipe(md5);

  v8.writeHeapSnapshot('stream.2.heapsnapshot');

  console.log('Stream Impl:');

  process.stdout.write('  Hash: ');
  hash.pipe(process.stdout);
  hash.on('end', () => {
    console.log('\n  Cost:', performance.now() - start);
  });
}

WebSocket 协议分析

Node Stream API

`stream.Writable`

常用方法：

.write(chunk) 写入数据片段

`stream.Readable`

常用事件:

data 接收到数据片段
error 错误
end 读取结束

常用方法：

.pipe(writeable) 通俗来讲，就是把 “读” 管道和 “写” 管道头尾相接，这样数据就可以从一个管道直接 “流” 到另一个管道，方便操作。

最大传输单元（MTU）

泛指通讯协议中的最大传输单元。一般用来说明 TCP/IP 四层协议中数据链路层的最大传输单元，不同类型的网络 MTU 也会不同，我们普遍使用的以太网的 MTU 是 1500，即最大只能传输 1500 字节的数据帧。可以通过 ifconfig命令查看电脑各个网卡的 MTU。

WebSocket 协议分析

最大分片大小（MSS）

指 TCP 建立连接后双方约定的可传输的最大 TCP 报文长度，是 TCP 用来限制应用层可发送的最大字节数。如果底层的MTU是1500byte，则 MSS = 1500 - 20(IP Header) - 20 (TCP Header) = 1460 byte。

WebSocket 协议分析

图片来源：互联网协议介绍 · 应用层

Nagle 算法

作用：减少网络拥塞

规则：

如果包长度达到 MSS，则允许发送
如果包含 FIN，则允许发送
如果设置了TCP_NODELAY，则允许发送
未设置 TCP_CORK 选项时，若所有发出去的小数据包（包长度小于 MSS ）均被确认，则允许发送
上述条件都未满足，但发生了超时（一般为200ms），则立即发送。

大概意思就是：数据包不是立马发送的，而且要在一定延迟下（200ms）等待下一个包，如果加起来小于 MSS，这将这些包一起发送出去。

TCP 粘包和拆包

受 MSS 及 Nagle 算法等因素影响，TCP 在发送时会遇到粘包和拆包的情况：

WebSocket 协议分析

协议分析

1. 通过一次 HTTP 握手，完成协议升级 (rfc6455#section-1.2)

首先客户端发送如下 Headers：

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Origin: http://example.com

Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13

服务端响应如下 Headers:

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
Sec-WebSocket-Protocol: chat

其中，服务端响应的 Sec-WebSocket-Accept 字段的值生成算法伪代码如下：

let str = Sec-WebSocket-Key + "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"
base64(sha1( str ))

备注: 字符串 "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11" 是协议指定的唯一 GUID

当完成这次握手动作，客户端与服务端就建立了一个长连接，后续两端的消息收发等操作靠解析数据帧来完成。

2. 数据帧解析 (rfc6455#section-5.2)

 
  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 ...                |
  +---------------------------------------------------------------+

FIN: 占 1 位，表示这是消息的最后一个片段，（如果为 1，表示当前已经结束了，如果为0，表示消息分片还没结束）
RSV1, RSV2, RSV3: 各占1位，表示扩展协议 (extensions)
opcode: 占4位，表示操作码，各操作码含义如下：
- %x0 : 表示消息帧的延续（一般来说配合 FIN = 0 使用）
- %x1 : 表示传输的内容是文本
- %x2 : 表示传输的内容是二进制
- %x3-7 : 给未来保留的非控制帧的操作吗
- %x8 : 表示连接关闭
- %x9 : 表示一个 ping
- %xA : 表示一个 pong
- %xB-F : 给未来保留的控制帧的操作码
MASK: 占1位，表示是否使用掩码
Payload len: 占7位：表示数据的字节数，该长度值的含义如下：
- 如果值的范围是：0~125，则数据的真实长度就是该值
- 如果值为：126，则以无符号整数的方式读取接下来的 16 位，读取结果为数据的真实长度
- 如果值为：127，则以无符号整数的方式读取接下来的 64 位，读取结果为数据的真实长度
备注：Payload len 实际占有的位数可能有：7 (0~125)、16 (126)、64 (127)
Masking-key: 如果使用了掩码（ MASK = 1）, 则占 32 位，否则，不占空间
Payload Data：数据，包含2部分：
- 扩展数据（握手时协商了扩展的时候才有，并要明确给出扩展数据的字节数）
- 应用数据

3. 一些细节

3.1 关于掩码（rfc6455#section-5.3）

掩码用于加密或解密载荷数据，加密和解码的计算方式都如下所示 (nodejs 代码)：

/**
 * 处理控制帧
 * @param data 数据
 * @param maskingKey 掩码key（4个字节）
 */
function mask(data: Buffer, maskingKey: Buffer) {
  for (let i = 0; i < data.length; i++) {
    data[i] = data[i] ^ maskingKey[i % 4]
  }
}

协议规定：客户端向服务端发送数据是，必须使用掩码；而服务端向客户端发送数据时，则不能使用掩码(rfc6455#section-5.1)

3.2 关于 ping 和 pong 操作 (rfc6455#section-5.5.2)

ping 和 pong 通常用于检测两端是否处于连接正常的状态（心跳检测）

协议规定：一端向向一端发送 ping 操作帧时，另一端必须发送一个 pong 操作帧作为响应

4. 实现 demo 示例

请参阅：github.com/peakchen90/…

一些思考

HTTP 握手时为啥要使用 `\r\n` 作为换行符？

参考：www.rfc-editor.org/rfc/rfc2616…

WebSocket 协议分析

发送二进制文件怎么携带发送者的用户信息？

可以实现一个自定义二进制协议。如下所示，二进制的第一个 8 位用来存放用户昵称的字节长度 L（最大支持 256 个字节，使用 UTF-8 编码字符大约能放 64 个中文），其后仅接着占用 L 个字节存放真实昵称使用 UTF-8 编码后的二进制序列，最后部分为真实的二进制文件内容。

// 0 0 0 0 0 0 0 0 : 昵称长度
// ...             : 昵称位置
// ...             : 二进制数据位置
const nickBuffer = Buffer.from(sender['nickname']);
const headerBuffer = Buffer.allocUnsafe(1 + nickBuffer.length);
headerBuffer.writeUInt8(nickBuffer.length, 0);
headerBuffer.set(nickBuffer, 1);

wss.broadcast([headerBuffer, message], true);

WebSocket 如何处理大文件？

大文件的内存占用对于服务端来说是致命的。客户端可以使用 Blob, 服务端只做消息转发的功能，不要在服务端组合分片内容完成后再下发。

IP 协议职责是？TCP 协议的职责是？

IP 用于找到主机，TCP 用于找到主机的程序（根据 port）

参考链接

最后

关注公众号「Goodme前端团队」，获取更多干货实践，欢迎交流分享~

WebSocket 协议分析

基本介绍

维基百科定义

浏览器支持

使用场景

历史

轮询

长轮询

WebSocket 优点

知识普及

二进制

基本概念

运算

示例

大小端

Stream

与 buffer 处理文件的内存占用对比

Buffer

Stream

Node Stream API

stream.Writable

stream.Readable

最大传输单元（MTU）

最大分片大小（MSS）

Nagle 算法

TCP 粘包和拆包

协议分析

1. 通过一次 HTTP 握手，完成协议升级 (rfc6455#section-1.2)

2. 数据帧解析 (rfc6455#section-5.2)

3. 一些细节

3.1 关于掩码（rfc6455#section-5.3）

3.2 关于 ping 和 pong 操作 (rfc6455#section-5.5.2)

4. 实现 demo 示例

一些思考

HTTP 握手时为啥要使用 \r\n 作为换行符？

发送二进制文件怎么携带发送者的用户信息？

WebSocket 如何处理大文件？

IP 协议职责是？TCP 协议的职责是？

参考链接

最后

`stream.Writable`

`stream.Readable`

HTTP 握手时为啥要使用 `\r\n` 作为换行符？