刨根問底HTTP和WebSocket協議(二）

Alchemist發表於2016-08-22
HTTPWeb協議

HTTP vs WebSocket

上篇介紹了HTTP1.1協議的基本內容，這篇文章將繼續分析WebSocket協議，然後對這兩個進行簡單的比較。

WebSocket

WebSocket協議還很年輕，RFC文件相比HTTP的釋出時間也很短，它的誕生是為了建立一種「雙向通訊」的協議，來作為HTTP協議的一個替代者。那麼首先看一下它和HTTP（或者HTTP的長連線）的區別。

為什麼要用WebSocket來替代HTTP

上一篇中提到WebSocket的目的就是解決網路傳輸中的雙向通訊的問題，HTTP1.1預設使用持久連線（persistent connection），在一個TCP連線上也可以傳輸多個Request/Response訊息對，但是HTTP的基本模型還是一個Request對應一個Response。這在雙向通訊（客戶端要向伺服器傳送資料，同時伺服器也需要實時的向客戶端傳送資訊，一個聊天系統就是典型的雙向通訊）時一般會使用這樣幾種解決方案：

  1. 輪訓，輪詢就會造成對網路和通訊雙方的資源的浪費，且非實時。
  2. 長輪訓，客戶端傳送一個超時時間很長的Request，伺服器hold住這個連線，在有新資料到達時返回Response，相比#1，佔用的網路頻寬少了，其他類似。
  3. 長連線，其實有些人對長連線的概念是模糊不清的，我這裡講的其實是HTTP的長連線（1）。如果你使用Socket來建立TCP的長連線（2），那麼，這個長連線（2）跟我們這裡要討論的WebSocket是一樣的，實際上TCP長連線就是WebSocket的基礎，但是如果是HTTP的長連線，本質上還是Request/Response訊息對，仍然會造成資源的浪費、實時性不強等問題。

HTTP的長連線模型

協議基礎

WebSocket的目的是取代HTTP在雙向通訊場景下的使用，而且它的實現方式有些也是基於HTTP的（WS的預設埠是80和443）。現有的網路環境（客戶端、伺服器、網路中間人、代理等）對HTTP都有很好的支援，所以這樣做可以充分利用現有的HTTP的基礎設施，有點向下相容的意味。

簡單來講，WS協議有兩部分組成：握手和資料傳輸。

握手（handshake）

出於相容性的考慮，WS的握手使用HTTP來實現（此文件中提到未來有可能會使用專用的埠和方法來實現握手），客戶端的握手訊息就是一個「普通的，帶有Upgrade頭的，HTTP Request訊息」。所以這一個小節到內容大部分都來自於RFC2616，這裡只是它的一種應用形式，下面是RFC6455文件中給出的一個客戶端握手訊息示例：

    GET /chat HTTP/1.1            //1
    Host: server.example.com   //2
    Upgrade: websocket            //3
    Connection: Upgrade            //4
    Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==            //5
    Origin: http://example.com            //6
    Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat            //7
    Sec-WebSocket-Version: 13            //8複製程式碼

可以看到，前兩行跟HTTP的Request的起始行一模一樣，而真正在WS的握手過程中起到作用的是下面幾個header域。

  1. Upgrade：upgrade是HTTP1.1中用於定義轉換協議的header域。它表示，如果伺服器支援的話，客戶端希望使用現有的「網路層」已經建立好的這個「連線（此處是TCP連線）」，切換到另外一個「應用層」（此處是WebSocket）協議。

  2. Connection：HTTP1.1中規定Upgrade只能應用在「直接連線」中，所以帶有Upgrade頭的HTTP1.1訊息必須含有Connection頭，因為Connection頭的意義就是，任何接收到此訊息的人（往往是代理伺服器）都要在轉發此訊息之前處理掉Connection中指定的域（不轉發Upgrade域）。 如果客戶端和伺服器之間是通過代理連線的，那麼在傳送這個握手訊息之前首先要傳送CONNECT訊息來建立直接連線。

  3. Sec-WebSocket-＊：第7行標識了客戶端支援的子協議的列表（關於子協議會在下面介紹），第8行標識了客戶端支援的WS協議的版本列表，第5行用來傳送給伺服器使用（伺服器會使用此欄位組裝成另一個key值放在握手返回資訊裡傳送客戶端）。

  4. Origin：作安全使用，防止跨站攻擊，瀏覽器一般會使用這個來標識原始域。

如果伺服器接受了這個請求，可能會傳送如下這樣的返回資訊，這是一個標準的HTTP的Response訊息。101表示伺服器收到了客戶端切換協議的請求，並且同意切換到此協議。RFC2616規定只有切換到的協議「比HTTP1.1更好」的時候才能同意切換。

    HTTP/1.1 101 Switching Protocols //1
    Upgrade: websocket. //2
    Connection: Upgrade. //3
    Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=  //4
    Sec-WebSocket-Protocol: chat. //5複製程式碼

WebSocket協議Uri

ws協議預設使用80埠，wss協議預設使用443埠。

      ws-URI = "ws:" "//" host [ ":" port ] path [ "?" query ]
      wss-URI = "wss:" "//" host [ ":" port ] path [ "?" query ]

      host = 
      port = 
      path = 
      query = 複製程式碼

在客戶端傳送握手之前要做的一些小事

在握手之前，客戶端首先要先建立連線，一個客戶端對於一個相同的目標地址（通常是域名或者IP地址，不是資源地址）同一時刻只能有一個處於CONNECTING狀態（就是正在建立連線）的連線。從建立連線到傳送握手訊息這個過程大致是這樣的：

  1. 客戶端檢查輸入的Uri是否合法。
  2. 客戶端判斷，如果當前已有指向此目標地址（IP地址）的連線（A）仍處於CONNECTING狀態，需要等待這個連線（A）建立成功，或者建立失敗之後才能繼續建立新的連線。
    PS：如果當前連線是處於代理的網路環境中，無法判斷IP地址是否相同，則認為每一個Host地址為一個單獨的目標地址，同時客戶端應當限制同時處於CONNECTING狀態的連線數。 PPS：這樣可以防止一部分的DDOS攻擊。 PPPS：客戶端並不限制同時處於「已成功」狀態的連線數，但是如果一個客戶端「持有大量已成功狀態的連線的」，伺服器或許會拒絕此客戶端請求的新連線。

  3. 如果客戶端處於一個代理環境中，它首先要請求它的代理來建立一個到達目標地址的TCP連線。 例如，如果客戶端處於代理環境中，它想要連線某目標地址的80埠，它可能要收現傳送以下訊息：

           CONNECT example.com:80 HTTP/1.1
       Host: example.com複製程式碼

    如果客戶端沒有處於代理環境中，它就要首先建立一個到達目標地址的直接的TCP連線。

  4. 如果上一步中的TCP連線建立失敗，則此WebSocket連線失敗。
  5. 如果協議是wss，則在上一步建立的TCP連線之上，使用TSL傳送握手資訊。如果失敗，則此WebSocket連線失敗；如果成功，則以後的所有資料都要通過此TSL通道進行傳送。

對於客戶端握手資訊的一些小要求

  1. 握手必須是RFC2616中定義的Request訊息
  2. 此Request訊息的方法必須是GET，HTTP版本必須大於1.1 。 以下是某WS的Uri對應的Request訊息：
     ws://example.com/chat
 GET /chat HTTP/1.1複製程式碼
  3. 此Request訊息中Request-URI部分（RFC2616中的概念）所定義的資型必須和WS協議的Uri中定義的資源相同。
  4. 此Request訊息中必須含有Host頭域，其內容必須和WS的Uri中定義的相同。
  5. 此Request訊息必須包含Upgrade頭域，其內容必須包含websocket關鍵字。
  6. 此Request訊息必須包含Connection頭域，其內容必須包含Upgrade指令。
  7. 此Request訊息必須包含Sec-WebSocket-Key頭域，其內容是一個Base64編碼的16位隨機字元。
  8. 如果客戶端是瀏覽器，此Request訊息必須包含Origin頭域，其內容是參考RFC6454。
  9. 此Request訊息必須包含Sec-WebSocket-Version頭域，在此協議中定義的版本號是13。
  10. 此Request訊息可能包含Sec-WebSocket-Protocol頭域，其意義如上文中所述。
  11. 此Request訊息可能包含Sec-WebSocket-Extensions頭域，客戶端和伺服器可以使用此header來進行一些功能的擴充套件。
  12. 此Request訊息可能包含任何合法的頭域。如RFC2616中定義的那些。

在客戶端接收到Response握手訊息之後要做的一些事情

  1. 如果返回的返回碼不是101，則按照RFC2616進行處理。如果是101，進行下一步，開始解析header域，所有header域的值不區分大小寫。
  2. 判斷是否含有Upgrade頭，且內容包含websocket。
  3. 判斷是否含有Connection頭，且內容包含Upgrade
  4. 判斷是否含有Sec-WebSocket-Accept頭，其內容在下面介紹。
  5. 如果含有Sec-WebSocket-Extensions頭，要判斷是否之前的Request握手帶有此內容，如果沒有，則連線失敗。
  6. 如果含有Sec-WebSocket-Protocol頭，要判斷是否之前的Request握手帶有此協議，如果沒有，則連線失敗。

服務端的概念

服務端指的是所有參與處理WebSocket訊息的基礎設施，比如如果某伺服器使用Nginx（A）來處理WebSocket，然後把處理後的訊息傳給響應的伺服器（B），那麼A和B都是這裡要討論的服務端的範疇。

接受了客戶端的連線請求，服務端要做的一些事情

如果請求是HTTPS，則首先要使用TLS進行握手，如果失敗，則關閉連線，如果成功，則之後的資料都通過此通道進行傳送。

之後服務端可以進行一些客戶端驗證步驟（包括對客戶端header域的驗證），如果需要，則按照RFC2616來進行錯誤碼的返回。

如果一切都成功，則返回成功的Response握手訊息。

服務端傳送的成功的Response握手

此握手訊息是一個標準的HTTP Response訊息，同時它包含了以下幾個部分：

  1. 狀態行（如上一篇RFC2616中所述）
  2. Upgrade頭域，內容為websocket
  3. Connection頭域，內容為Upgrade
  4. Sec-WebSocket-Accept頭域，其內容的生成步驟：
    1. 首先將Sec-WebSocket-Key的內容加上字串258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11（一個UUID）。
    2. 將#1中生成的字串進行SHA1編碼。
    3. 將#2中生成的字串進行Base64編碼。
  5. Sec-WebSocket-Protocol頭域（可選）
  6. Sec-WebSocket-Extensions頭域（可選）

一旦這個握手發出去，服務端就認為此WebSocket連線已經建立成功，處於OPEN狀態。它就可以開始傳送資料了。

WebSocket的一些擴充套件

Sec-WebSocket-Version可以被通訊雙方用來支援更多的協議的擴充套件，RFC6455中定義的值為13，WebSocket的客戶端和服務端可能回自定義更多的版本號來支援更多的功能。其使用方法如上文所述。

傳送資料

WebSocket中所有傳送的資料使用幀的形式傳送。客戶端傳送的資料幀都要經過掩碼處理，服務端傳送的所有資料幀都不能經過掩碼處理。否則對方需要傳送關閉幀。

一個幀包含一個幀型別的標識碼，一個負載長度，和負載。負載包括擴充套件內容和應用內容。

幀型別

幀型別是由一個4位長的叫Opcode的值表示，任何WebSocket的通訊方收到一個位置的幀型別，都要以連線失敗的方式斷開此連線。 RFC6455中定義的幀型別如下所示：

  1. Opcode == 0 繼續

    表示此幀是一個繼續幀，需要拼接在上一個收到的幀之後，來組成一個完整的訊息。由於這種解析特性，非控制幀的傳送和接收必須是相同的順序。

  2. Opcode == 1 文字幀
  3. Opcode == 2 二進位制幀
  4. Opcode == 3-7 未來使用（非控制幀）

  5. Opcode == 8 關閉連線（控制幀）

    此幀可能會包含內容，以表示關閉連線的原因。

    通訊的某一方傳送此幀來關閉WebSocket連線，收到此幀的一方如果之前沒有傳送此幀，則需要傳送一個同樣的關閉幀以確認關閉。如果雙方同時傳送此幀，則雙方都需要傳送迴應的關閉幀。

    理想情況服務端在確認WebSocket連線關閉後，關閉相應的TCP連線，而客戶端需要等待服務端關閉此TCP連線，但客戶端在某些情況下也可以關閉TCP連線。

  6. Opcode == 9 Ping

    類似於心跳，一方收到Ping，應當立即傳送Pong作為響應。

  7. Opcode == 10 Pong

    如果通訊一方並沒有傳送Ping，但是收到了Pong，並不要求它返回任何資訊。Pong幀的內容應當和收到的Ping相同。可能會出現一方收到很多的Ping，但是隻需要響應最近的那一次就可以了。

  8. Opcode == 11-15 未來使用（控制幀）

幀的格式

具體的每一項代表什麼意思在這裡就不做詳細的闡述了。

  0                   1                   2                   3
  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
 +-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
 |F|R|R|R| opcode|M| Payload len |    Extended payload length    |
 |I|S|S|S|  (4)  |A|     (7)     |             (16/64)           |
 |N|V|V|V|       |S|             |   (if payload len==126/127)   |
 | |1|2|3|       |K|             |                               |
 +-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +
 |     Extended payload length continued, if payload len == 127  |
 + - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+
 |                               |Masking-key, if MASK set to 1  |
 +-------------------------------+-------------------------------+
 | Masking-key (continued)       |          Payload Data         |
 +-------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - +
 :                     Payload Data continued ...                :
 + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +
 |                     Payload Data continued ...                |
 +---------------------------------------------------------------+複製程式碼

與HTTP比較

同樣作為應用層的協議，WebSocket在現代的軟體開發中被越來越多的實踐，和HTTP有很多相似的地方，這裡將它們簡單的做一個純個人、非權威的比較：

相同點

  1. 都是基於TCP的應用層協議。
  2. 都使用Request/Response模型進行連線的建立。
  3. 在連線的建立過程中對錯誤的處理方式相同，在這個階段WS可能返回和HTTP相同的返回碼。
  4. 都可以在網路中傳輸資料。

不同點

  1. WS使用HTTP來建立連線，但是定義了一系列新的header域，這些域在HTTP中並不會使用。
  2. WS的連線不能通過中間人來轉發，它必須是一個直接連線。
  3. WS連線建立之後，通訊雙方都可以在任何時刻向另一方傳送資料。
  4. WS連線建立之後，資料的傳輸使用幀來傳遞，不再需要Request訊息。
  5. WS的資料幀有序。

待續

這一篇簡單地將WebSocket協議介紹了一遍，篇幅有點長了，資料幀也沒有來得及詳述。下篇會繼續深扒WebSocket幀傳輸，另外將通過例項探討一些WebSocket協議實際使用中的問題。

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