WebSocket 是建立在 TCP/IP 协议之上，属于应用层的协议，而 Socket 是在应用层和传输层中的一个抽象层，它是将 TCP/IP 层的复杂操作抽象成几个简单的接口来提供给应用层调用。为什么要做这次替换呢?原因是我们服务端在做改造，同时网页版 IM 已经使用了 WebSocket ，客户端也采用的话对于服务端来说维护一套代码会更好更方便，而且 WebSocket 在体积、实时性和扩展上都具有一定的优势。

WebSocket 最新的协议是 13 RFC 6455 ，要理解 WebSocket 的实现，一定要去理解它的协议!~

前言

WebSocket 的实现分为握手，数据发送/读取，关闭连接。

这里首先放上一张我们组 @省长 (推荐大家去读一读省长的博客，干货很多)整理出来的流程图，方便大家去理解：

握手

握手要从请求头去理解。

WebSocket 首先发起一个 HTTP 请求，在请求头加上 Upgrade 字段，该字段用于改变 HTTP 协议版本或者是换用其他协议，这里我们把 Upgrade 的值设为 websocket ，将它升级为 WebSocket 协议。

同时要注意 Sec-WebSocket-Key 字段，它由客户端生成并发给服务端，用于证明服务端接收到的是一个可受信的连接握手，可以帮助服务端排除自身接收到的由非 WebSocket 客户端发起的连接，该值是一串随机经过 base64 编码的字符串。

GET /chat HTTP/1.1  Host: server.example.com  Upgrade: websocket  Connection: Upgrade  Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==  Origin: http://example.com  Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat  Sec-WebSocket-Version: 13 

我们可以简化请求头，将请求以字符串方式发送出去，当然别忘了最后的两个空行作为包结束：

const char * fmt = "GET %s HTTP/1.1"  "Upgrade: websocket"  "Connection: Upgrade"  "Host: %s"  "Sec-WebSocket-Key: %s"  "Sec-WebSocket-Version: 13"  "";  size = strlen(fmt) + strlen(path) + strlen(host) + strlen(ws->key);  buf = (char *)malloc(size);  sprintf(buf, fmt, path, host, ws->key);  size = strlen(buf);  nbytes = ws->io_send(ws, ws->context, buf, size); 收到请求后，服务端也会做一次响应：HTTP/1.1 101 Switching Protocols  Upgrade: websocket  Connection: Upgrade  Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo= 

里面重要的是 Sec-WebSocket-Accept ，服务端通过从客户端请求头中读取 Sec-WebSocket-Key 与一串全局唯一的标识字符串(俗称魔串)“258EAFA5-E914-47DA- 95CA-C5AB0DC85B11”做拼接，生成长度为160位的 SHA-1 字符串，然后进行 base64 编码，作为 Sec-WebSocket-Accept 的值回传给客户端。

处理握手 HTTP 响应解析的时候，可以用 nodejs 的 http-paser ，解析方式也比较简单，就是对头信息的逐字读取再处理，具体处理你可以看一下它的状态机实现。解析完成后你需要对其内容进行解析，看返回是否正确，同时去管理你的握手状态。

数据发送/读取

数据的处理就要拿这个帧协议图来说明了：

首先我们来看看数字的含义，数字表示位，0-7表示有8位，等于1个字节。

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 

所以如果要组装一个帧数据可以这样子：

char *rev = (rev *)malloc(4);  rev[0] = (char)(0x81 & 0xff);  rev[1] = 126 & 0x7f;  rev[2] = 1;  rev[3] = 0; 

ok，了解了帧数据的样子，我们反过来去理解值对应的帧字段。

首先0x81是什么，这个是十六进制数据，转换成二进制就是1000 0001， 是一个字节的长度，也就是这一段里面每一位的值：

• FIN 表示该帧是不是消息的最后一帧，1表示结束，0表示还有下一帧。
• RSV1, RSV2, RSV3 必须为0，除非扩展协商定义了一个非0的值，如果没有定义非0值，且收到了非0的 RSV ，那么 WebSocket 的连接会失效。
• opcode 用来描述 Payload data 的定义，如果收到了一个未知的 opcode ，同样会使 WebSocket 连接失效，协议定义了以下值：

%x0 表示连续的帧%x1 表示 text 帧%x2 表示二进制帧%x3-7 预留给非控制帧%x8 表示关闭连接帧%x9 表示 ping%xA 表示 pong%xB-F 预留给控制帧

0xff 作用就是取出需要的二进制值。

下面再来看126，126则表示的是 Payload len ，也就是 Payload 的长度：

• MASK 表示Playload data 是否要加掩码，如果设成1，则需要赋值 Masking-key 。所有从客户端发到服务端的帧都要加掩码
• Playload len 表示 Payload 的长度，这里分为三种情况
• 长度小于126，则只需要7位
• 长度是126，则需要额外2个字节的大小，也就是 Extended payload length
• 长度是127，则需要额外8个字节的大小，也就是 Extended payload length + Extended payload length continued ，Extended payload length 是2个字节，Extended payload length continued 是6个字节
• Playload len 则表示 Extension data 与 Application data 的和

而数据的发送和读取就是对帧的封装和解析。

数据发送:void ws__wrap_packet(_WS_IN websocket_t *ws,  _WS_IN const char *payload,  _WS_IN unsigned long long payload_size,  _WS_IN int flags,  _WS_OUT char** out,  _WS_OUT uint64_t *out_size) {    struct timeval tv;  char mask[4];  unsigned int mask_int;  unsigned int payload_len_bits;  unsigned int payload_bit_offset = 6;  unsigned int extend_payload_len_bits, i;  unsigned long long frame_size;    const int MASK_BIT_LEN = 4;    gettimeofday(&tv, NULL);  srand(tv.tv_usec * tv.tv_sec);  mask_int = rand();  memcpy(mask, &mask_int, 4);    /**  * payload_len bits  * ref to https://tools.ietf.org/html/rfc6455#section-5.2  * If 0-125, that is the payload length  *  * If payload length is equals 126, the following 2 bytes interpreted as a  * 16-bit unsigned integer are the payload length  *  * If 127, the following 8 bytes interpreted as a 64-bit unsigned integer (the  * most significant bit MUST be 0) are the payload length.  */  if (payload_size 125) {  // consts of ((fin + rsv1/2/3 + opcode) + payload-len bits + mask bit len + payload len)  extend_payload_len_bits = 0;  frame_size = 1 + 1 + MASK_BIT_LEN + payload_size;    payload_len_bits = payload_size;  } else if (payload_size > 125 && payload_size 0xffff) {  extend_payload_len_bits = 2;  // consts of ((fin + rsv1/2/3 + opcode) + payload-len bits + extend-payload-len bites + mask bit len + payload len)  frame_size = 1 + 1 + extend_payload_len_bits + MASK_BIT_LEN + payload_size;  payload_len_bits = 126;    payload_bit_offset += extend_payload_len_bits;  } else if (payload_size > 0xffff && payload_size 0xffffffffffffffffLL) {  extend_payload_len_bits = 8;  // consts of ((fin + rsv1/2/3 + opcode) + payload-len bits + extend-payload-len bites + mask bit len + payload len)  frame_size = 1 + 1 + extend_payload_len_bits + MASK_BIT_LEN + payload_size;  payload_len_bits = 127;  payload_bit_offset += extend_payload_len_bits;  } else {  if (ws->error_cb) {  ws_error_t *err = ws_new_error(WS_SEND_DATA_TOO_LARGE_ERR);  ws->error_cb(ws, err);  free(err);  }  return ;  }    *out_size = frame_size;  char *data = (*out) = (char *)malloc(frame_size);  char *buf_offset = data;    bzero(data, frame_size);  *data = flags & 0xff;    buf_offset = data + 1;    // set mask bit = 1  *(buf_offset) = payload_len_bits | 0x80; //payload length with mask bit on    buf_offset = data + 2;  if (payload_len_bits == 126) {  payload_size &= 0xffff;  } else if (payload_len_bits == 127) {  payload_size &= 0xffffffffffffffffLL;  }    for (i = 0; i  *(buf_offset + i) = *((char *)&payload_size + (extend_payload_len_bits - i - 1));  }      /**  * according to https://tools.ietf.org/html/rfc6455#section-5.3  *  * buf_offset is set to mask bit  */  buf_offset = data + payload_bit_offset - 4;  for (i = 0; i 4; i++) {  *(buf_offset + i) = mask[i] & 0xff;  }    /**  * mask the payload data  */  buf_offset = data + payload_bit_offset;  memcpy(buf_offset, payload, payload_size);  mask_payload(mask, buf_offset, payload_size);  }    void mask_payload(char mask[4], char *payload, unsigned long long payload_size) {  unsigned long long i;  for(i = 0; i  *(payload + i) ^= mask[i % 4] & 0xff;  }  } 数据解析：int ws_recv(websocket_t *ws) {  if (ws->state  return ws_do_handshake(ws);  }    int ret;  while(true) {  ret = ws__recv(ws);  if (ret != OK) {  break;  }  }    return ret;  }    int ws__recv(websocket_t *ws) {  if (ws->state  return ws_do_handshake(ws);  }    int ret = OK, i;  int state = ws->rd_state;  char *rd_buf;    switch(state) {  case WS_READ_IDLE: {  ret = ws__make_up(ws, 2);  if (ret != OK) {  return ret;  }    ws_frame_t * frame;  if (ws->c_frame == NULL) {  ws__append_frame(ws);  }  frame = ws->c_frame;  rd_buf = ws->buf;  frame->fin = (*(rd_buf) & 0x80) == 0x80 ? 1 : 0;  frame->op_code = *(rd_buf) & 0x0fu;  frame->payload_len = *(rd_buf + 1) & 0x7fu;    if (frame->payload_len 126) {  frame->payload_bit_offset = 2;  ws->rd_state = WS_READ_PAYLOAD;  } else if (frame -> payload_len == 126) {  frame->payload_bit_offset = 4;  ws->rd_state = WS_READ_EXTEND_PAYLOAD_2_WORDS;  } else {  frame->payload_bit_offset = 8;  ws->rd_state = WS_READ_EXTEND_PAYLOAD_8_WORDS;  }    ws__reset_buf(ws, 2);  break;  }  case WS_READ_EXTEND_PAYLOAD_2_WORDS: {  #define PAYLOAD_LEN_BITS 2  ret = ws__make_up(ws, PAYLOAD_LEN_BITS);  if (ret != OK) {  return ret;  }  rd_buf = ws->buf;  ws_frame_t * frame = ws->c_frame;    char *payload_len_bytes = (char *)&frame->payload_len;  for (i = 0; i  *(payload_len_bytes + i) = rd_buf[PAYLOAD_LEN_BITS - 1 - i];  }    ws__reset_buf(ws, PAYLOAD_LEN_BITS);  ws->rd_state = WS_READ_PAYLOAD;  #undef PAYLOAD_LEN_BITS  break;  }  case WS_READ_EXTEND_PAYLOAD_8_WORDS: {  #define PAYLOAD_LEN_BITS 8  ret = ws__make_up(ws, PAYLOAD_LEN_BITS);  if (ret != OK) {  return ret;  }    rd_buf = ws->buf;  ws_frame_t * frame = ws->c_frame;  char *payload_len_bytes = (char *)&frame->payload_len;  for (i = 0; i  *(payload_len_bytes + i) = rd_buf[PAYLOAD_LEN_BITS - 1 - i];  }    ws__reset_buf(ws, PAYLOAD_LEN_BITS);  ws->rd_state = WS_READ_PAYLOAD;  #undef PAYLOAD_LEN_BITS  break;  }  case WS_READ_PAYLOAD: {  ws_frame_t * frame = ws->c_frame;  uint64_t payload_len = frame->payload_len;  ret = ws__make_up(ws, payload_len);  if (ret != OK) {  return ret;  }      rd_buf = ws->buf;  frame->payload = malloc(payload_len);  memcpy(frame->payload, rd_buf, payload_len);    ws__reset_buf(ws, payload_len);    if (frame->fin == 1) {  // is control frame  ws__dispatch_msg(ws, frame);  ws__clean_frame(ws);  } else {  ws__append_frame(ws);  }    ws->rd_state = WS_READ_IDLE;    break;  }  }    return ret;  } 

关闭连接

关闭连接分为两种：服务端发起关闭和客户端主动关闭。

服务端跟客户端的处理基本一致，以服务端为例：

服务端发起关闭的时候，会客户端发送一个关闭帧，客户端在接收到帧的时候通过解析出帧的opcode来判断是否是关闭帧，然后同样向服务端再发送一个关闭帧作为回应。

if (op_code == OP_CLOSE) {  int status_code;  char *reason;  char *status_code_buf = (char *)&status_code;  status_code_buf[0] = payload[1];  status_code_buf[1] = payload[0];  reason = payload + 2;    if (ws->state != WS_STATE_CLOSED) {  /**  * should send response to remote server  */    ws_send(ws, NULL, 0, OP_CLOSE | FLAG_FIN);  ws->state = WS_STATE_CLOSED;  }    // close connection  if (ws->close_cb) {  ws->close_cb(ws, status_code, reason);  }  } 

总结

对WebSocket的学习主要是对协议的理解，理解了协议，上面复杂的代码自然而然就会明白~