IM即时通讯开发WebSocket从入门到精通

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了IM即时通讯开发WebSocket从入门到精通相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

自从html5里的WebSocket出现后,彻底改变了以往Web端即时通讯技术的基础通道这个“痛点”(在此之前,开发者们不得不弄出了诸如:短轮询、长轮询、Comet、SSE等技术,可谓苦之久矣...),如今再也不用纠结到底该用“轮询”还是“Comet”技术来保证数据的实时性了,幸福来的就是如此突然 ^-^。

 

WebSocket如今不仅在Web应用里使用广泛,也慢慢被开发者们应用到各种那些原本使用TCP、UDP这类协议的富客户端(比如移动端中)。

有鉴于此,对于即时通讯方向的开发者来说,全面深入的了解WebSocket是非常有必要的,面视时也少不了会考察这方面的知识。

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:

1)WebSocket可以在浏览器里使用;

2)支持双向通信;

3)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。

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、数据交换过程。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:

1)如何建立连接;

2)如何交换数据;

3)数据帧格式;

4)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。

首先,客户端发起协议升级请求。可以看到,采用的是标准的HTTP报文格式,且只支持GET方法。即时通讯聊天软件app开发可以加蔚可云的v:weikeyun24咨询

 

GET / HTTP/1.1

Host: localhost:8080

Origin:http: //127.0.0.1:3000

Connection: Upgrade

Upgrade: websocket

Sec-WebSocket-Version: 13

Sec-WebSocket-Key: w4v7O6xFTi36lq3RNcgctw==

重点请求首部意义如下:

1)Connection: Upgrade:表示要升级协议;

2)Upgrade: websocket:表示要升级到websocket协议;

3)Sec-WebSocket-Version: 13:表示websocket的版本。如果服务端不支持该版本,需要返回一个Sec-WebSocket-Versionheader,里面包含服务端支持的版本号;

4)Sec-WebSocket-Key:与后面服务端响应首部的Sec-WebSocket-Accept是配套的,提供基本的防护,比如恶意的连接,或者无意的连接。

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。到此完成协议升级,后续的数据交互都按照新的协议来。

HTTP/1.1 101 Switching Protocols

Connection:Upgrade

Upgrade: websocket

Sec-WebSocket-Accept: Oy4NRAQ13jhfONC7bP8dTKb4PTU=

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。

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。

伪代码如下:

>toBase64( sha1( Sec-WebSocket-Key + 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 ) )

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)。

1)发送端:将消息切割成多个帧,并发送给服务端;

2)接收端:接收消息帧,并将关联的帧重新组装成完整的消息。

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。

1)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;

2)内容包括了标识、操作代码、掩码、数据、数据长度等。

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,可参考协议规范,或留言交流。

1)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)。

2)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。

3)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。

%x9: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。

4)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。

5)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)。

6)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。

7)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。

以上是关于IM即时通讯开发WebSocket从入门到精通的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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