websocket网络通信协议

websocket网络通信协议

参考:websocket_rfc6455

网络:

• 网络编程:解决1对多通信问题(1个server对N个client)
  • epoll
  • reactor
• 网络协议:解决一个客户端与一个服务器的通信问题
  • http
  • websocket

websocket

基于tcp的协议,解决粘包和拆包问题.

websocket头

WebSocket 的头信息结构需区分握手阶段（基于 HTTP 协议）和数据传输阶段（WebSocket 帧格式），两者的结构差异较大：

一、握手阶段：基于 HTTP 头信息

WebSocket 握手是通过 HTTP 协议完成的（客户端发送 HTTP 请求，服务器返回 HTTP 响应），因此头信息遵循 HTTP 格式，核心字段如下：

1. 客户端握手请求头（HTTP GET 请求）

GET /chat HTTP/1.1
Host: example.com:8080
Upgrade: websocket                  // 核心：请求升级到 WebSocket 协议
Connection: Upgrade                 // 配合 Upgrade，表示连接要升级
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==  // 随机字符串，用于服务器验证
Sec-WebSocket-Version: 13           // 客户端支持的 WebSocket 版本（当前标准为 13）
Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits  // 可选：协商扩展（如压缩）
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat  // 可选：协商子协议（应用层自定义协议）
Origin: http://example.com          // 可选：客户端来源（用于服务器跨域验证）

关键字段说明：

• Upgrade: websocket + Connection: Upgrade：强制触发 HTTP 协议升级机制，声明要从 HTTP 切换到 WebSocket。
• Sec-WebSocket-Key：16 字节随机值的 Base64 编码，用于服务器生成 Sec-WebSocket-Accept 进行验证（防止误判非 WebSocket 响应）。
• Sec-WebSocket-Version: 13：指定 WebSocket 版本（13 是当前标准，早期版本如 8、10 已淘汰）。

2. 服务器握手响应头（101 状态码）

HTTP/1.1 101 Switching Protocols    // 核心：确认协议升级
Upgrade: websocket                  // 呼应客户端，确认升级到 WebSocket
Connection: Upgrade                 // 确认连接保持升级状态
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=  // 服务器验证后的密钥（基于客户端 Key + GUID 计算）
Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits  // 可选：确认支持的扩展
Sec-WebSocket-Protocol: chat        // 可选：确认使用的子协议（从客户端请求中选择）

关键字段说明：

• 101 Switching Protocols：HTTP 状态码，表示服务器同意协议升级。
• Sec-WebSocket-Accept：服务器通过“客户端 Key + 固定 GUID（258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11）”拼接后，经 SHA-1 哈希 + Base64 编码生成，客户端会验证此值以确认服务器支持 WebSocket。

二、数据传输阶段：WebSocket 帧（Frame）头结构

握手完成后，数据传输使用二进制帧格式，每个帧的头信息是二进制结构（而非文本 HTTP 头），格式如下（单位：bit）：

字段	位数	含义
FIN	1	是否为“最后一帧”：1 = 该帧是消息的最后一部分；0 = 后续还有帧（用于分片消息）。
RSV1-3	1-1-1	保留位，用于扩展协议（如压缩），未使用时必须为 0，否则接收方会断开连接。
Opcode	4	帧类型： - 0x0：延续帧（分片消息的中间帧） - 0x1：文本帧（数据为 UTF-8 编码） - 0x2：二进制帧（任意二进制数据） - 0x8：关闭连接帧 - 0x9：Ping 帧（心跳检测） - 0xA：Pong 帧（Ping 响应）
Mask	1	是否使用掩码：1 = 帧数据被掩码加密（客户端发送的帧必须设为 1）；0 = 未加密（服务器发送的帧必须设为 0）。
Payload Length	7 / 7+16 / 7+64	有效载荷（数据）长度： - 若值 ≤ 125：直接表示长度（单位：字节）。 - 若值 = 126：后续 2 字节（16 位无符号整数）表示长度。 - 若值 = 127：后续 8 字节（64 位无符号整数）表示长度。
Masking Key	0 / 32	掩码密钥：仅当 Mask=1 时存在（4 字节），用于解密 Payload Data（客户端发送的数据必须用此密钥加密）。
Payload Data	可变	实际传输的数据（文本/二进制/控制信息），长度由 Payload Length 指定。

帧头示例（简化）：

假设客户端发送一个 10 字节的文本帧（完整消息，非分片）：

• FIN=1（最后一帧）
• RSV1-3=000（无扩展）
• Opcode=0x1（文本帧）
• Mask=1（客户端发送，需掩码）
• Payload Length=10（≤125，直接表示）
• Masking Key=0x12345678（4 字节随机密钥）
• Payload Data=10字节文本数据（经掩码加密）

总结

WebSocket 的“头信息”分两个阶段：

1. 握手阶段：基于 HTTP 文本头，核心是通过 Upgrade 等字段完成协议升级和验证（确保双方支持 WebSocket）。
2. 数据阶段：使用二进制帧头，通过 FIN、Opcode、Payload Length 等字段定义数据传输规则（如消息分片、数据类型、长度等），并通过掩码保证客户端发送数据的安全性。

这种设计既兼容了 HTTP 基础设施（握手阶段），又实现了高效的全双工数据传输（帧结构阶段）。

websocket面试题

为什么websocket要握手?

WebSocket 握手（Handshake）是从 HTTP 协议“升级”到 WebSocket 协议的关键过程，其核心目的是在 HTTP 基础设施（如代理、防火墙、服务器）的兼容前提下，建立一个持久化的全双工通信通道。你提到的“版本升级”“兼容 HTTP 协议”“验证双方身份”是核心原因，具体细节如下：

1. 本质是“协议版本升级”：从 HTTP 到 WebSocket

HTTP 是请求-响应模式的短连接协议（每次通信需客户端主动发起请求），而 WebSocket 是全双工的长连接协议（客户端和服务器可随时双向发送数据）。两者的通信模式完全不同，因此需要通过“握手”完成协议切换：

• 客户端发送HTTP 升级请求，明确告知服务器：“我想从 HTTP 切换到 WebSocket 协议”，并携带 WebSocket 相关参数（如版本号、支持的扩展等）。
• 服务器若支持 WebSocket，会返回101 Switching Protocols响应，确认“同意升级”，从此连接不再遵循 HTTP 规则，而是使用 WebSocket 帧格式传输数据。

这一步是“版本升级”的核心：通过 HTTP 协议的“Upgrade”机制，完成从短连接到长连接、从单向请求到双向通信的转换。

2. 兼容 HTTP 协议：穿透现有网络基础设施

WebSocket 设计时必须兼容现有基于 HTTP 的网络环境（如代理服务器、负载均衡器、防火墙等），否则会被这些中间设备拦截或误处理。握手的关键作用就是“伪装”成 HTTP 流量，通过基础设施的验证：

• 握手过程完全使用 HTTP 报文格式（如 GET 请求方法、Host 头、Upgrade 头），让中间设备误认为这是一个普通 HTTP 请求，从而允许其通过。
• 只有完成握手后，通信才切换到 WebSocket 帧格式，但此时连接已建立，中间设备通常不会再拦截长连接的后续数据。

若没有握手过程，直接使用全新的协议格式，会被大多数 HTTP 代理/防火墙阻断（它们只允许 HTTP 标准流量），导致 WebSocket 无法在现有网络中普及。

3. 验证双方“协议能力”：确保通信参数一致

握手过程包含简单的“验证机制”，核心是确认双方都理解并支持 WebSocket 协议，避免误连接（如客户端连接到不支持 WebSocket 的 HTTP 服务器）：

• 客户端发送 Sec-WebSocket-Key（一个随机字符串），服务器需通过特定算法（SHA-1 哈希 + Base64 编码）计算出 Sec-WebSocket-Accept 并返回。
• 客户端验证服务器返回的 Sec-WebSocket-Accept 是否正确，若正确则确认“服务器确实支持 WebSocket”，否则断开连接。

这个验证不是“身份认证”（不涉及用户身份），而是“协议能力验证”，确保双方在同一套规则下通信。此外，握手时还会协商：

• WebSocket 版本（Sec-WebSocket-Version），避免版本不兼容；
• 支持的扩展（Sec-WebSocket-Extensions）和子协议（Sec-WebSocket-Protocol），确定数据压缩、自定义协议等细节。

总结

WebSocket 握手是一个“一举三得”的设计：

• 通过协议升级，从 HTTP 短连接转换为 WebSocket 长连接；
• 借助HTTP 兼容，穿透现有网络基础设施（代理、防火墙等）；
• 通过协议验证，确保双方支持相同的 WebSocket 规则，避免无效连接。

这使得 WebSocket 既能享受长连接全双工的优势，又能在现有 HTTP 生态中无缝部署，成为实时通信（如聊天、弹幕、实时数据更新）的主流方案。

websocket握手为什么要GUID?

避免数据太短,无法hash.

WebSocket 握手过程中引入固定 GUID（258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11）的核心目的，并非单纯“避免数据太短无法哈希”，而是通过标准化的固定字符串，确保握手验证的唯一性和安全性，防止“误判”或“跨协议攻击”。

具体背景：握手验证的流程

WebSocket 握手的验证逻辑是：

1. 客户端生成一个 16 字节的随机值，用 Base64 编码后作为 Sec-WebSocket-Key 发送给服务器。
2. 服务器将这个 Sec-WebSocket-Key 与固定 GUID 拼接，得到一个新字符串。
3. 对新字符串做 SHA-1 哈希，再将哈希结果用 Base64 编码，得到 Sec-WebSocket-Accept，返回给客户端。
4. 客户端重复服务器的计算过程，验证返回的 Sec-WebSocket-Accept 是否一致，一致则确认握手成功。

GUID 的核心作用：防止“误匹配”

如果没有这个固定 GUID，验证逻辑会存在严重漏洞：

• 假设客户端发送的 Sec-WebSocket-Key 是一个随机字符串，服务器只需对其进行某种哈希处理后返回。
• 但此时可能出现**“巧合匹配”**：比如客户端误将一个普通 HTTP 服务器的响应（非 WebSocket 握手）当作 valid 验证结果（例如，服务器返回的某个字符串恰好与客户端的哈希计算结果一致）。

而固定 GUID 的引入，相当于给验证过程加了一个**“唯一标识符”**：

• 只有知道这个 GUID 的服务器（即真正支持 WebSocket 协议的服务器），才能生成正确的 Sec-WebSocket-Accept。
• 普通 HTTP 服务器或其他协议的服务器不知道这个 GUID，无法生成匹配的响应，客户端就能明确区分“真正的 WebSocket 服务器”和“其他服务器”。

关于“数据长度”的补充

客户端发送的 Sec-WebSocket-Key 是 16 字节随机值（Base64 编码后为 24 字符），这个长度本身足够进行 SHA-1 哈希（SHA-1 可处理任意长度数据，哪怕只有 1 字节）。

因此，“避免数据太短”是次要因素，真正核心是通过固定 GUID 确保验证逻辑的“协议唯一性”——只有遵循 WebSocket 标准的服务器才能通过验证，从根本上杜绝跨协议的误判风险。

总结

WebSocket 握手引入固定 GUID，是为了给验证过程增加一个**“协议专属密钥”**：

• 确保服务器确实理解 WebSocket 协议（知道这个 GUID），而非其他协议的服务器。
• 彻底避免因随机巧合导致的“误验证”，保证握手的安全性和准确性。

这个设计让 WebSocket 在兼容 HTTP 基础设施的同时，又能可靠地区分协议类型，是协议设计中“安全性与兼容性平衡”的典型案例。