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websocket的实现

什么是websocket？

WebSocket 是一种网络通信协议，旨在为客户端和服务器之间提供全双工、实时的通信通道。它是在 HTML5 规范中引入的，可以让浏览器与服务器进行持久化连接，以便实现低延迟的数据交换。

WebSocket 的特点：

1. 全双工通信：客户端和服务器可以同时发送和接收消息，而不必等待对方完成操作。
2. 轻量级：相较于传统的 HTTP 协议，WebSocket 头部信息更小，这减少了网络开销。
3. 持久连接：一旦建立连接，双方可以一直保持这个连接，直到主动关闭。这样避免了频繁建立和关闭连接带来的性能损耗。
4. 实时性：适合需要即时数据更新的应用，如在线聊天、游戏、股票行情等

通信过程

websocket通信协议是基于http的，客户端首先发送连接请求request，在该request中包含了基本的HTTP头信息：

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==
Sec-WebSocket-Version: 13

以上这些信息以字符串的形式发送至服务端的rbuffer里，当服务端识别到这些字符串信息后，需要发送相应response进行确认后才能建立websocket连接。确认信息的response应该如下：

接收到客户端的key->

key与“258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”进行拼接，得到新的key-->

使用SHA1算法加密-->

再使用base64加密-->

加上http头信息，以字符串形式的发送至客户端。当客户端收到后，websocket建立。

int response_websock(struct conn *c){char* key_head = "Sec-WebSocket-Key";char* start = strstr(c->rbuffer, key_head);start += 19;char key[1024] = {0};int set = 0;while (*start != '='){key[set] = *start;start++;set++;}key[set] = '\0';char* result = strcat(key, GUID);unsigned char hash[SHA_DIGEST_LENGTH] = {0};SHA1((unsigned char*)result, strlen(result), hash);char* base = base64_encode(hash, SHA_DIGEST_LENGTH);//strcpy(c->wbuffer, base) ;snprintf(c->wbuffer, sizeof(c->wbuffer), "HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n""Upgrade: websocket\r\n""Connection: Upgrade\r\n""Sec-WebSocket-Accept: %s\r\n\r\n", base);c->wlength = strlen(c->wbuffer);free(base);
}

建立websocket连接后，可以互发信息，但是信息是以websocket帧，字节流的形式传送的，所以需要进行编码和解码。

websocket帧结构如下：

发送信息（编码）：

int encoding(struct conn *c){//写入rbufferint message_len = strlen(payload);int frame_len = 0;// 设置 FIN 位和 Opcode（文本帧）c->wbuffer[0] = 0x81; // FIN=1, Opcode=0x1（文本帧）// 设置 Payload Lengthif (message_len <= 125) {c->wbuffer[1] = message_len; // 不需要额外长度字段memcpy(&c->wbuffer[2], payload, message_len);frame_len = 2 + message_len;} else if(message_len <= 65535){c->wbuffer[1] = 126; // 16 位扩展长度c->wbuffer[2] = (message_len >> 8) & 0xFF; // 高字节c->wbuffer[3] = message_len & 0xFF;        // 低字节memcpy(&c->wbuffer[4], payload, message_len);frame_len = 4 + message_len;  }else{c->wbuffer[1] = 127; // 64 位扩展长度// 这里假设消息长度小于 2^32，因此高 4 字节为 0memset(&c->wbuffer[2], 0, 4);c->wbuffer[6] = (message_len >> 24) & 0xFF;c->wbuffer[7] = (message_len >> 16) & 0xFF;c->wbuffer[8] = (message_len >> 8) & 0xFF;c->wbuffer[9] = message_len & 0xFF;memcpy(&c->wbuffer[10], payload, message_len);frame_len = 10 + message_len;}
}

接收信息（解码):

int encoding(struct conn *c){int fin = (c->rbuffer[0] & 0X80) >> 7;int opcode = c->rbuffer[0] & 0x0F;              // 操作码int masked = (c->rbuffer[1] & 0x80) >> 7;       // 是否有掩码int payload_len = c->rbuffer[1] & 0x7F;unsigned char *mask = NULL;                 // 掩码键unsigned char *payload = NULL;              // 数据指针if (payload_len <= 125) {mask = &c->rbuffer[2];payload = &c->rbuffer[6];} else if (payload_len == 126) {payload_len = ntohs(*(uint16_t *)&c->rbuffer[2]);mask = &c->rbuffer[4];payload = &c->rbuffer[8];} else if (payload_len == 127) {payload_len = ntohl(*(uint64_t *)&c->rbuffer[2]);mask = &c->rbuffer[10];payload = &c->rbuffer[14];}for (int i = 0; i < payload_len; i++) {  //解析数据（去除掩码）payload[i] ^= mask[i % 4];}// 输出解码后的消息payload[payload_len] = '\0';printf("Message from client: %s\n", payload);
}

流程总结

由于在建立连接阶段和通信阶段发送的数据形式不同，所以需要在结构体中引入状态机，用于记录是哪种请求，根据不同的状态机，做出不同的response。

int ws_request(struct conn *c){//判断建立请求连接还是数据帧if (strstr(c->rbuffer, "Sec-WebSocket-Key") != NULL) {printf("HTTP handshake request detected.\n");printf("request: %s", c->rbuffer);c->wlength = 0;c->status = 0;} else {printf("WebSocket frame detected.\n");c->wlength = 0;c->status = 1;}return 0;
}

客户端发送request -> 服务端读取数据，判断是请求连接还是发送websocket帧 ->根据不同status做出相应反应

int ws_response(struct conn *c){//返回建立连接if(c->status == 0){response_websock(xxx);}else if (c->status == 1){//解码encoding(xxx);//编码decoding(xxx);}return c->wlength;
}

整体流程如下：

conn_list数组相当于一个用户和内核的中介，用来存放内核建立的连接以及用于拷贝内核接收到的数据。在websocket时，还额外引入了status的状态。

这个图可以清晰的显示出reactor的优点，即将业务和网络io管理分开。websocket用来实现业务，reactor用来实现网络io的管理。

课程地址：www.github.com/0voice