大家好，我是码农先森。
写在前面
在 WebSocket 协议出现之前，Web 应用为了能过获取到实时的数据都是通过不断轮询服务端的接口。轮询的效率、延时很低，并且很耗费资源。在2008年 Google 的一位工程师 Ian Hickson 发明并起草了 Websocket 协议的相关规范，后来经过讨论和改进，由 WHATWG 组织负责制定了 WebSocket 的标准。最终，WebSocket 协议在2011年被正式发布为 RFC 6455 标准，同时得到了广泛应用和支持。WebSocket 协议的发明填补了 Web 应用中实时双向通信的空白，为大家提供了更便捷、高效的方式来开发实时性较强的应用程序，例如：聊天网站、在线游戏等一些需要进行实时数据交互的Web应用。
WebSocket 协议原理
WebSocket是一种在Web浏览器和Web服务器之间进行全双工通信的协议。它提供了一个持久化的连接，允许服务器主动向客户端推送数据，而无需客户端发送请求。相对于传统的HTTP协议，它更加高效、实时，并且减少了通信的延迟。
FIN（Finale）是一个控制帧标志位，用于指示消息是否是一个完整的消息片段或者是最后一个消息片段。
- 当 FIN 设置为 1 时，表示该消息是一个完整的消息片段或者是最后一个分片。
- 当 FIN 设置为 0 时，表示该消息是一个消息片段的一部分，还需要后续的分片来组成完整的消息。
RSV1、RSV2 和 RSV3 是三个保留位（Reserved Bits）。
- 这些保留位最初设计用于未来扩展协议的目的。WebSocket 规范规定，在当前版本的协议中，RSV1、RSV2 和 RSV3 的初始值必须为 0。
- 如果服务器或客户端收到的数据帧中的这些保留位为 1，而且尚未定义对应的扩展协议，那么它们应该关闭连接。这样可以确保当前协议版本的兼容性和互操作性。
opcode（操作码）表示数据帧（Frame）的类型或用途。
- 0x0 （ContinuationFrame）：用于传输分片（fragmented）的消息，一个完整的消息可能会被分为多个数据帧。
- 0x1 （TextFrame）：用于传输文本数据，表示消息的内容是文本。
- 0x2 （BinaryFrame）：用于传输二进制数据，表示消息的内容是二进制数据。
- 0x8 （ConnectionClose）：用于关闭连接，表示一个终止连接的请求或响应。
- 0x9 （Ping）：用于心跳检测，由客户端发起，服务器必须回复一个对应的 Pong 数据帧。
- 0xA （Pong）：用于心跳检测，作为对 Ping 数据帧的响应。
MASK（掩码）是一个用于对数据帧有效载荷进行加密的机制。它是用于保护数据的完整性和安全性。
- 如果 MASK 标志位设置为 1，并且存在掩码密钥（Masking Key），则表示有效载荷被掩码加密过。
- 如果 MASK 标志位设置为 0，则表示有效载荷没有经过掩码处理。
Payload Length（有效载荷长度）字段用于指示数据帧的有效载荷（payload）的长度。Payload Length 字段的值可以是 7 位、16 位或 64 位。
- 如果 Payload Length 字段的值为 0 到 125（含），则表示有效载荷的长度就是该值，直接读取对应的字节数作为有效载荷的长度。
- 如果 Payload Length 字段的值为 126，则表示有效载荷的长度用后续的 16 位无符号整数表示，需要读取后续的 16 位作为有效载荷长度。
- 如果 Payload Length 字段的值为 127，则表示有效载荷的长度用后续的 64 位无符号整数表示，需要读取后续的 64 位作为有效载荷长度。
Extended Payload Length（扩展有效载荷长度）用于表示有效载荷超过 125 字节时的情况。
- 当 Payload Length 字段的值为 126 时，表示随后的 16 位无符号整数字段指示了有效载荷的实际长度。这个 16 位字段被称为 Extended Payload Length 字段。
- Extended Payload Length 的值表示有效载荷的长度。通过读取 Extended Payload Length 字段的 16 位无符号整数，可以确定有效载荷的确切长度（以字节为单位）。
Masking Key（掩码密钥）是用于对数据帧有效载荷进行加密的关键，是一个随机生成的 32 位（4 字节）长度的值。
- 在 Mask 字段设置为 1 的情况下，接收方才需要从 Masking Key 字段中获取掩码密钥，并使用该密钥对有效载荷进行解码操作。
- 在 Mask 字段设置为 0 的情况下，有效载荷不需要进行解码操作，可以直接使用。
- 通过对有效载荷数据和掩码密钥进行异或运算，可以实现对数据进行加密和解密的效果。确保数据在传输过程中的安全性和完整性，防止被恶意攻击者窃取或篡改数据。
Payload Data（有效载荷数据）是 WebSocket 数据帧中携带的实际数据内容部分。它包含了应用程序要传输的具体信息。
- 有效载荷数据可以是任意类型的数据，例如文本、二进制数据、JSON、XML 等等，取决于应用程序的需求。
上面主要是介绍协议传输的标准，接下来我们看看协议的工作流程。
客户端通过发送一个 HTTP 请求到服务器，服务器接收到该请求后，根据请求头的相关字段进行验证和处理，并返回一个 HTTP 响应。客户端接收到服务器的响应后，如果响应状态码为 101 Switching Protocols，表示协议切换成功。此时就可以使用 WebSocket 协议进行双向通信。
在 Swoole 中的应用
- 使用
Swoole\WebSocket\Server创建一个WebSocket服务。 - 使用
$server->on('open', function(...){...}监听 open 连接打开事件。 - 使用
$server->on('message', function(...){...}监听消息接收事件。 - 使用
$server->push(...)方法推送消息给客户端。 - 当客户端关闭连接时，使用
$server->on('close', function(...){...}监听关闭的连接、 - 使用
$server->start()来正式启动WebSocket服务。
<?php
// 创建 WebSocket 服务器对象，监听 0.0.0.0:8080 端口
$server = new Swoole\WebSocket\Server('0.0.0.0', 8080);
// 监听 WebSocket 连接打开事件
$server->on('open', function (Swoole\WebSocket\Server $server, $request) {
echo "New WebSocket connection opened: {$request->fd}\n";
});
// 监听 WebSocket 消息事件
$server->on('message', function (Swoole\WebSocket\Server $server, $frame) {
echo "Received message from {$frame->fd}: {$frame->data}\n";
// 向客户端发送回复消息
$server->push($frame->fd, 'Hello from Swoole server!');
});
// 监听 WebSocket 连接关闭事件
$server->on('close', function (Swoole\WebSocket\Server $server, $fd) {
echo "WebSocket connection closed: {$fd}\n";
});
// 启动 WebSocket 服务器
$server->start();
使用 wscat 工具进行连接测试。
MacBook-Pro:demo$ wscat -c 127.0.0.1:8080
Connected (press CTRL+C to quit)
> Hello
< Hello from Swoole server!
在 Go 语言中的应用
- 使用
http.ListenAndServe监听 8080 端口。 - 定义路由
http.HandleFunc("/websocket", handleWebSocket)及处理函数。 - 升级 HTTP 连接为 WebSocket 连接。
- 使用
conn.ReadMessage()读取连接的客户端数据。 - 使用
conn.WriteMessage回复客户端消息。 - 持续监听客户端的
WebSocket连接。 - 这里的
handleWebSocket(...)每次都是在一个协程当中执行维护的。
package main
import (
"log"
"net/http"
"github.com/gorilla/websocket"
)
// 定义 WebSocket 升级器
var upgrader = websocket.Upgrader{
}
// 处理 WebSocket 连接的请求
func handleWebSocket(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
// 升级 HTTP 连接为 WebSocket 连接
conn, err := upgrader.Upgrade(w, r, nil)
if err != nil {
log.Println("Failed to upgrade to WebSocket:", err)
return
}
defer conn.Close()
// 在这里处理 WebSocket 连接
for {
// 读取来自客户端的消息
_, msg, err := conn.ReadMessage()
if err != nil {
log.Println("Failed to read message from WebSocket:", err)
break
}
// 处理接收到的消息
log.Println("Received message:", string(msg))
// 回复消息给客户端
err = conn.WriteMessage(websocket.TextMessage, []byte("Hello from Go server!"))
if err != nil {
log.Println("Failed to send message to WebSocket:", err)
break
}
}
}
func main() {
// 设置路由和处理函数
http.HandleFunc("/websocket", handleWebSocket)
// 启动 HTTP 服务器
log.Println("Server started on localhost:8080")
err := http.ListenAndServe(":8080", nil)
if err != nil {
log.Fatal("Failed to start server:", err)
}
}
使用 wscat 工具进行连接测试。
MacBook-Pro:demo$ wscat -c 127.0.0.1:8080
Connected (press CTRL+C to quit)
> Hello
< Hello from Go server!
总结
- 介绍了 WebSocket 协议数据包的格式，及协议的工作流程。
- WebSocket 协议的出现解决了一些需要实时数据交互的业务场景，例如：聊天网站、在线游戏等。
- 在 Swoole 中要注意使用协程客户端，避免阻塞主进程的执行。
- 在 Go 中每一个 Http Handle 就会新建一个协程来处理新的连接请求。
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