理解即时通讯WebSocket的通信原理协议格式安全性

Posted 2022-08-16 wecloud1314

WebSocket的出现，使得浏览器具备了实时双向通信的能力。本文由浅入深，介绍了WebSocket如何建立连接、交换数据的细节，以及数据帧的格式。此外，还简要介绍了针对WebSocket的安全攻击，以及协议是如何抵御类似攻击的。

 

什么是WebSocket

html5开始提供的一种浏览器与服务器进行全双工通讯的网络技术，属于应用层协议。它基于TCP传输协议，并复用HTTP的握手通道。

对大部分web开发者来说，上面这段描述有点枯燥，其实只要记住几点：
 

• WebSocket可以在浏览器里使用；
• 支持双向通信；
• 使用很简单。

说到优点，这里的对比参照物是HTTP协议，概括地说就是：支持双向通信，更灵活，更高效，可扩展性更好。

具体优化如下：
 

• 1）支持双向通信，实时性更强；
• 2）更好的二进制支持；
• 3）较少的控制开销：
  连接创建后，ws客户端、服务端进行数据交换时，协议控制的数据包头部较小。在不包含头部的情况下，服务端到客户端的包头只有2~10字节（取决于数据包长度），客户端到服务端的的话，需要加上额外的4字节的掩码。而HTTP协议每次通信都需要携带完整的头部；
• 4）支持扩展：
  ws协议定义了扩展，用户可以扩展协议，或者实现自定义的子协议（比如支持自定义压缩算法等）。

对于后面两点，没有研究过WebSocket协议规范的同学可能理解起来不够直观，但不影响对WebSocket的学习和使用。

对网络应用层协议的学习来说，最重要的往往就是连接建立过程、数据交换教程。当然，数据的格式是逃不掉的，因为它直接决定了协议本身的能力。好的数据格式能让协议更高效、扩展性更好。

下文主要围绕下面几点展开：
 

• 如何建立连接；
• 如何交换数据；
• 数据帧格式；
• 如何维持连接。

前面提到，WebSocket复用了HTTP的握手通道。具体指的是，客户端通过HTTP请求与WebSocket服务端协商升级协议。协议升级完成后，后续的数据交换则遵照WebSocket的协议。
注意：上面请求省略了部分非重点请求首部。由于是标准的HTTP请求，类似Host、Origin、Cookie等请求首部会照常发送。在握手阶段，可以通过相关请求首部进行 安全限制、权限校验等。

服务端返回内容如下，状态代码101表示协议切换：

1 2 3 4

HTTP /1 .1 101 Switching Protocols Connection:Upgrade Upgrade: websocket Sec-WebSocket-Accept: Oy4NRAQ13jhfONC7bP8dTKb4PTU=

到此完成协议升级，后续的数据交互都按照新的协议来。

备注：每个header都以\\r\\n结尾，并且最后一行加上一个额外的空行\\r\\n。此外，服务端回应的HTTP状态码只能在握手阶段使用。过了握手阶段后，就只能采用特定的错误码。即时通讯聊天软件app开发可以加蔚可云的v：weikeyun24咨询​

 

Sec-WebSocket-Accept的计算

Sec-WebSocket-Accept根据客户端请求首部的Sec-WebSocket-Key计算出来。

计算公式为：
 

• 1）将Sec-WebSocket-Key跟258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11拼接；
• 2）通过SHA1计算出摘要，并转成base64字符串。

客户端、服务端数据的交换，离不开数据帧格式的定义。因此，在实际讲解数据交换之前，我们先来看下WebSocket的数据帧格式。

WebSocket客户端、服务端通信的最小单位是帧（frame），由1个或多个帧组成一条完整的消息（message）。

详情如下：
 

• 发送端：将消息切割成多个帧，并发送给服务端；
• 接收端：接收消息帧，并将关联的帧重新组装成完整的消息。

数据帧格式概览

下面给出了WebSocket数据帧的统一格式，熟悉TCP/IP协议的同学对这样的图应该不陌生：
 

• 从左到右，单位是比特。比如FIN、RSV1各占据1比特，opcode占据4比特；
• 内容包括了标识、操作代码、掩码、数据、数据长度等。（下一小节会展开）

数据帧格式详解

针对前面的格式概览图，这里逐个字段进行讲解，如有不清楚之处。

FIN：1个比特
如果是1，表示这是消息（message）的最后一个分片（fragment），如果是0，表示不是是消息（message）的最后一个分片（fragment）。

RSV1, RSV2, RSV3：各占1个比特
一般情况下全为0。当客户端、服务端协商采用WebSocket扩展时，这三个标志位可以非0，且值的含义由扩展进行定义。如果出现非零的值，且并没有采用WebSocket扩展，连接出错。

Opcode: 4个比特
操作代码，Opcode的值决定了应该如何解析后续的数据载荷（data payload）。如果操作代码是不认识的，那么接收端应该断开连接（fail the connection）。可选的操作代码如下：
 

• %x0：表示一个延续帧。当Opcode为0时，表示本次数据传输采用了数据分片，当前收到的数据帧为其中一个数据分片；
• %x1：表示这是一个文本帧（frame）；
• %x2：表示这是一个二进制帧（frame）；
• %x3-7：保留的操作代码，用于后续定义的非控制帧；
• %x8：表示连接断开；
• %x8：表示这是一个ping操作；
• %xA：表示这是一个pong操作；
• %xB-F：保留的操作代码，用于后续定义的控制帧。

Mask: 1个比特
表示是否要对数据载荷进行掩码操作。从客户端向服务端发送数据时，需要对数据进行掩码操作；从服务端向客户端发送数据时，不需要对数据进行掩码操作。

如果服务端接收到的数据没有进行过掩码操作，服务端需要断开连接。

如果Mask是1，那么在Masking-key中会定义一个掩码键（masking key），并用这个掩码键来对数据载荷进行反掩码。所有客户端发送到服务端的数据帧，Mask都是1。

掩码的算法、用途在下一小节讲解。

Payload length：数据载荷的长度，单位是字节。为7位，或7+16位，或1+64位

假设数Payload length === x，如果：
 

• x为0~126：数据的长度为x字节；
• x为126：后续2个字节代表一个16位的无符号整数，该无符号整数的值为数据的长度；
• x为127：后续8个字节代表一个64位的无符号整数（最高位为0），该无符号整数的值为数据的长度。

此外，如果payload length占用了多个字节的话，payload length的二进制表达采用网络序（big endian，重要的位在前）。

Masking-key：0或4字节（32位）
所有从客户端传送到服务端的数据帧，数据载荷都进行了掩码操作，Mask为1，且携带了4字节的Masking-key。如果Mask为0，则没有Masking-key。

备注：载荷数据的长度，不包括mask key的长度。

Payload data：(x+y) 字节
 

• 载荷数据：
  包括了扩展数据、应用数据。其中，扩展数据x字节，应用数据y字节；
• 扩展数据：
  如果没有协商使用扩展的话，扩展数据数据为0字节。所有的扩展都必须声明扩展数据的长度，或者可以如何计算出扩展数据的长度。此外，扩展如何使用必须在握手阶段就协商好。如果扩展数据存在，那么载荷数据长度必须将扩展数据的长度包含在内；
• 应用数据：
  任意的应用数据，在扩展数据之后（如果存在扩展数据），占据了数据帧剩余的位置。载荷数据长度 减去 扩展数据长度，就得到应用数据的长度。

掩码算法

掩码键（Masking-key）是由客户端挑选出来的32位的随机数。掩码操作不会影响数据载荷的长度。掩码、反掩码操作都采用如下算法。

首先，假设：
 

• original-octet-i：为原始数据的第i字节。
• transformed-octet-i：为转换后的数据的第i字节。
• j：为i mod 4的结果。
• masking-key-octet-j：为mask key第j字节。

算法描述为：
original-octet-i 与 masking-key-octet-j 异或后，得到 transformed-octet-i。

即：

j = i MOD 4
transformed-octet-i = original-octet-i XOR masking-key-octet-j

数据传递

一旦WebSocket客户端、服务端建立连接后，后续的操作都是基于数据帧的传递。WebSocket根据opcode来区分操作的类型。比如0x8表示断开连接，0x0-0x2表示数据交互。