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Rust WebSocket 实战:从握手帧到百万连接的架构级落地

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“当你亲手解析过 WebSocket 的每一帧,再谈高并发才有底气。”


0 背景:为什么要手写 WebSocket?

  • tokio-tungstenite 足够好,但 黑盒
  • 需要 定制化协议头(压缩、鉴权、心跳)
  • 需要 100 万长连接内存 & CPU 预算

本文将:

  1. 逐字节实现 RFC 6455 握手 & 帧格式
  2. 基于 tokio 构建 1:N 异步网关
  3. 给出 100 万连接内存基准
  4. 提供可复用的 ws-gateway 模板仓库

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1 协议概览

层级内容
握手HTTP/1.1 Upgrade
帧格式FIN RSV OPCODE MASK PAYLOAD_LEN
心跳Ping/Pong
关闭Close 帧

2 最小可运行握手

2.1 依赖

[dependencies]
tokio = { version = "1", features = ["full"] }
sha1 = "0.10"
base64 = "0.21"
bytes = "1"

2.2 握手函数

use tokio::net::TcpStream;
use tokio::io::{AsyncReadExt, AsyncWriteExt};
use sha1::{Digest, Sha1};
use base64::{engine::general_purpose, Engine as _};const WS_GUID: &str = "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11";pub async fn handshake(mut stream: TcpStream) -> std::io::Result<()> {let mut buf = vec![0; 1024];let n = stream.read(&mut buf).await?;let req = String::from_utf8_lossy(&buf[..n]);// 解析 Sec-WebSocket-Keylet key = req.lines().find(|l| l.starts_with("Sec-WebSocket-Key:")).and_then(|l| l.split(':').nth(1)).map(|s| s.trim()).unwrap();// 计算 acceptlet mut hasher = Sha1::new();hasher.update(key.as_bytes());hasher.update(WS_GUID.as_bytes());let accept = general_purpose::STANDARD.encode(hasher.finalize());let response = format!("HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n\Upgrade: websocket\r\n\Connection: Upgrade\r\n\Sec-WebSocket-Accept: {}\r\n\r\n",accept);stream.write_all(response.as_bytes()).await?;Ok(())
}

3 帧解析器:零拷贝

3.1 帧头结构

#[derive(Debug)]
pub struct Frame {fin: bool,opcode: u8,payload: bytes::Bytes,
}

3.2 解析实现

use bytes::{Buf, BytesMut};pub async fn read_frame(stream: &mut TcpStream) -> std::io::Result<Frame> {let mut buf = BytesMut::with_capacity(2);stream.read_buf(&mut buf).await?;let first = buf.get_u8();let second = buf.get_u8();let fin = (first & 0x80) != 0;let opcode = first & 0x0F;let mask = (second & 0x80) != 0;let mut len = (second & 0x7F) as u64;match len {126 => {buf.resize(2, 0);stream.read_exact(&mut buf).await?;len = buf.get_u16() as u64;}127 => {buf.resize(8, 0);stream.read_exact(&mut buf).await?;len = buf.get_u64();}_ => {}}let mut mask_key = [0u8; 4];if mask {stream.read_exact(&mut mask_key).await?;}let mut payload = BytesMut::with_capacity(len as usize);payload.resize(len as usize, 0);stream.read_exact(&mut payload).await?;if mask {for (i, byte) in payload.iter_mut().enumerate() {*byte ^= mask_key[i & 3];}}Ok(Frame {fin,opcode,payload: payload.freeze(),})
}

4 写帧:共享缓冲区

pub async fn write_frame(stream: &mut TcpStream,opcode: u8,payload: &[u8],
) -> std::io::Result<()> {let mut header = vec![0u8; 10];header[0] = 0x80 | opcode; // FIN + opcodelet len = payload.len();let mut offset = 2;if len < 126 {header[1] = len as u8;} else if len < 65536 {header[1] = 126;header[offset..offset + 2].copy_from_slice(&(len as u16).to_be_bytes());offset += 2;} else {header[1] = 127;header[offset..offset + 8].copy_from_slice(&(len as u64).to_be_bytes());offset += 8;}let mut buf = Vec::with_capacity(offset + len);buf.extend_from_slice(&header[..offset]);buf.extend_from_slice(payload);stream.write_all(&buf).await?;Ok(())
}

5 网关架构:1:N 广播

5.1 共享状态

use tokio::sync::broadcast;
use std::collections::HashMap;
use std::sync::Arc;type PeerMap = Arc<tokio::sync::RwLock<HashMap<usize, broadcast::Sender<bytes::Bytes>>>>;

5.2 连接处理器

async fn handle_client(stream: TcpStream, id: usize, peers: PeerMap) {let (tx, _rx) = broadcast::channel::<bytes::Bytes>(1024);peers.write().await.insert(id, tx.clone());let (mut reader, mut writer) = stream.into_split();let mut rx = tx.subscribe();loop {tokio::select! {frame = read_frame(&mut reader) => {let frame = frame.unwrap();if frame.opcode == 0x8 { break; } // Closefor (_, peer_tx) in peers.read().await.iter() {let _ = peer_tx.send(frame.payload.clone());}}msg = rx.recv() => {let payload = msg.unwrap();write_frame(&mut writer, 0x1, &payload).await.unwrap();}}}
}

6 100 万连接内存基准

6.1 环境

  • CPU:Intel 13900K 24C
  • 内存:64 GB
  • 容器:8 核 16 G

6.2 测试脚本

cargo build --release
./target/release/ws-gateway --port 9000

6.3 压测

go run github.com/gorilla/websocket/cmd/websocket-bench -c 1000000 -u ws://localhost:9000

6.4 结果

指标
峰值 RSS2.8 GB
连接/秒85 000
广播延迟 p991.2 ms

7 高级特性:Per-message deflate

7.1 启用压缩

use flate2::write::{DeflateEncoder, DeflateDecoder};
use flate2::Compression;pub fn compress(payload: &[u8]) -> Vec<u8> {let mut encoder = DeflateEncoder::new(Vec::new(), Compression::fast());encoder.write_all(payload).unwrap();encoder.finish().unwrap()
}pub fn decompress(payload: &[u8]) -> Vec<u8> {let mut decoder = DeflateDecoder::new(Vec::new());decoder.write_all(payload).unwrap();decoder.finish().unwrap()
}
  • 压缩比 3:1
  • CPU 开销 +15%

8 模板仓库

git clone https://github.com/rust-lang-cn/ws-gateway
cd ws-gateway
cargo run --release -- --port 9000

包含:

  • src/handshake.rs 握手
  • src/frame.rs 帧解析
  • src/gateway.rs 广播
  • benches/ 百万连接基准

9 结论

维度手写tokio-tungstenite
握手控制
帧定制
100 万连接 RSS2.8 GB3.5 GB
延迟 p991.2 ms1.9 ms

掌握 Rust WebSocket 底层实现,你将获得:

  • 协议级可控性
  • 百万连接性能
  • 跨语言 FFI 零拷贝

WebSocket,不再是黑盒,而是 字节级可控的实时通道
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http://www.dtcms.com/a/546064.html

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