通过Swoole Framework学习websocket协议

摘要：服务端的开发离不开协议，的出现对于学习通信来说，无疑是非常好的教材。一旦握手成功，一个双向连接通道就建立了。类型包括文本，二进制，协议层信号等。目前一共有种类型，种保留类型。表示异或，表示取模。

  
服务端的开发离不开协议，swoole的出现对于学习通信来说，无疑是非常好的教材。非常推荐大家下载 Swoole Framework，其中包含了多种协议的php实现，例如FTP，HTTP，Websocket等。本文大部分代码都是受这个项目的启发，当然学习的同时别忘了star一下这个项目。笔者本身计算机基础较弱，写这篇文章的同时也查了不少资料，如果有错误欢迎提出批评。

协议分为两部分：握手，数据传输

客户端发出的握手信息类似：

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

服务器返回的握手信息类似：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
Sec-WebSocket-Protocol: chat
Sec-WebSocket-Version: 13

两段信息的第一行大家应该都比较熟悉，是HTTP协议中的Request-Line和Status-Line，RFC2616。下面接着出现的是无序的头信息，这和HTTP协议相同。 一旦握手成功，一个双向连接通道就建立了。
连接用于传输message, message由一个或多个frame组成。每个frame有一个类型，属于同一个message的frame的类型都相同。类型包括：文本，二进制，control frame(协议层信号)等。目前一共有6种类型，10种保留类型。

根据上面的客户端头信息可以看出，握手和HTTP是兼容的。WS的握手是HTTP的"升级版本"。

客户端发送的握手请求必须
1. 是一个合法的HTTP请求
2. 方法是GET
3. 头必须包含HOST字段
4. 头必须包含Upgrade字段，值为websocket,可以看作是判断请求为ws的标志。
5. 头必须包含Connection字段，值为Upgrade。
6. 头必须包含Sec-WebSocket-Key字段，用于验证。
7. 如果请求来自浏览器，头必须包含 Origin字段。
8. 头必须包含Sec-WebSocket-Version字段，值为13

取Sec-WebSocket-Key字段的值，连接一个GUID字符串,"258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11", sha1 hash一下，再base64_encode，得到的值作为字段Sec-WebSocket-Accept的值返回给客户端。用php代码表示:

"Sec-WebSocket-Accept" => base64_encode(sha1($key . static::GUID, true))

同时，返回的状态设置为101，其他状态都表示握手没有成功。 Connection,Upgrade字段作为HTTP升级版必须存在。一个握手返回如下：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

  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 ...                |
 +---------------------------------------------------------------+

FIN: 1 bit, 标记是否是最后一个message的最后一个片段

RSV1, RSV2, RSV3： 各 1 bit, 保留标记，都为0

Opcode：4 bits， 是对payload data的说明，指明这个帧的类型。

0x0 表明为接着上一帧的连续帧

0x1 表明为text frame

0x2 表明为binary frame

0x3-7 保留

0x8 表示连接关闭

0x9 为ping

0xA 为pong

0xB-F 保留

- Mask: 1 bit, 指明Payload data是否被mask，如果为1，那么数据需要根据masking-key来unmask。客户端发送的帧都是mask的。
- Payload length： 7 bits 或 7+16 bits 或 7+64 bits. 如果值为0-125，那么该值就是payload的长度；如果为126，那么接下来的2个byte表示payload长度(16bit, unsigned)； 如果为127，那么接下来的8个bytes表示payload的长度(64bit, unsigned)。
- Masking-key: 0 或 4 bytes, 用于unmask payload data。
- Payload data: 长度为 Payload length, 可以分为 extension data + application data, 扩展数据的长度计算方法是是事先商议好的，剩余的就是应用数据。

masking-key是客户端随意指定的32bit长度值。从原始数据到masked数据的方式为：原始数据第i个字节的值 XOR masking-key的第(i%4)个字节的值。XOR表示异或，%表示取模。

当传递一个未知长度的数据时，可以不用一下子buffer全部的数据。尤其当数据非常大时，可以分多次buffer，包装为frame来发送。

看到这里，我们已经了解了frame的结构，是否想尝试解析一个frame，官方文档提供了几段二进制数据，我们可以用来练习一下。我挑选了其中两段, 代码如下：

php> 7) & 0x1;
    $RSV1 = ($temp >> 6) & 0x1;
    $RSV2 = ($temp >> 5) & 0x1;
    $RSV3 = ($temp >> 4) & 0x1;
    $opcode = $temp & 0xf;

    echo "First byte: FIN is $FIN, RSV1-3 are $RSV1, $RSV2, $RSV3; Opcode is $opcode 
";

    $temp = ord($data[$offset++]);
    $mask = ($temp >> 7) & 0x1;
    $payload_length = $temp & 0x7f;
    if($payload_length == 126){
        $temp = substr($data, $offset, 2);
        $offset += 2;
        $temp = unpack("nl", $temp);
        $payload_length = $temp["l"];
    }elseif($payload_length == 127){
        $temp = substr($data, $offset, 8);
        $offset += 8;
        $temp = unpack("nl", $temp);
        $payload_length = $temp["l"];
    }
    echo "mask is $mask, payload_length is $payload_length 
";

    if($mask ==0){
        $temp = substr($data, $offset);
        $content = "";
        for ($i=0; $i < $payload_length; $i++) { 
            $content .= $temp[$i];
        }
    }else{
        $masking_key = substr($data, $offset, 4);
        $offset += 4;

        $temp = substr($data, $offset);
        $content = "";
        for ($i=0; $i < $payload_length; $i++) { 
            $content .= chr(ord($temp[$i]) ^ ord($masking_key[$i%4]));
        }
    }

    echo "content is $content 
";
}

  
到这里其实并不算完，ws协议还有很多很多规则，RFC文档实在是太长了。比如，如何应对每一种control frame，有详细的说明；如何关闭连接；协议扩展；错误处理；安全相关；一些基本的内容都能在swoole framework中找到对应的代码。