一、内容概览
WebSocket的出现，使得浏览器具备了实时双向通信的能力。本文由浅入深，介绍了WebSocket如何建立连接、交换数据的细节，以及数据帧的格式。此外，还简要介绍了针对WebSocket的安全攻击，以及协议是如何抵御类似攻击的。
二、什么是WebSocket
HTML5开始提供的一种浏览器与服务器进行全双工通讯的网络技术，属于应用层协议。它基于TCP传输协议，并复用HTTP的握手通道。
对大部分web开发者来说，上面这段描述有点枯燥，其实只要记住几点：
WebSocket可以在浏览器里使用
支持双向通信
使用很简单
1、有哪些优点
说到优点，这里的对比参照物是HTTP协议，概括地说就是：支持双向通信，更灵活，更高效，可扩展性更好。
支持双向通信，实时性更强。
更好的二进制支持。
较少的控制开销。连接创建后，ws客户端、服务端进行数据交换时，协议控制的数据包头部较小。在不包含头部的情况下，服务端到客户端的包头只有2~10字节（取决于数据包长度），客户端到服务端的的话，需要加上额外的4字节的掩码。而HTTP协议每次通信都需要携带完整的头部。
支持扩展。ws协议定义了扩展，用户可以扩展协议，或者实现自定义的子协议。（比如支持自定义压缩算法等）
对于后面两点，没有研究过WebSocket协议规范的同学可能理解起来不够直观，但不影响对WebSocket的学习和使用。
2、需要学习哪些东西
对网络应用层协议的学习来说，最重要的往往就是连接建立过程、数据交换教程。当然，数据的格式是逃不掉的，因为它直接决定了协议本身的能力。好的数据格式能让协议更高效、扩展性更好。
下文主要围绕下面几点展开：
如何建立连接
如何交换数据
数据帧格式
如何维持连接
三、入门例子
在正式介绍协议细节前，先来看一个简单的例子，有个直观感受。例子包括了WebSocket服务端、WebSocket客户端（网页端）。完整代码可以在 这里 找到。
这里服务端用了ws这个库。相比大家熟悉的socket.io，ws实现更轻量，更适合学习的目的。
1、服务端
代码如下，监听8080端口。当有新的连接请求到达时，打印日志，同时向客户端发送消息。当收到到来自客户端的消息时，同样打印日志。
var app = require('express')();var server = require('http').Server(app);var WebSocket = require('ws');var wss = new WebSocket.Server({ port: 8080 });
wss.on('connection', function connection(ws) { console.log('server: receive connection.');
ws.on('message', function incoming(message) { console.log('server: received: %s', message);
});
ws.send('world');
});
app.get('/', function (req, res) {
res.sendfile(__dirname + '/index.html');
});
app.listen(3000);2、客户端
代码如下，向8080端口发起WebSocket连接。连接建立后，打印日志，同时向服务端发送消息。接收到来自服务端的消息后，同样打印日志。
<script>
var ws = new WebSocket('ws://localhost:8080');
ws.onopen = function () { console.log('ws onopen');
ws.send('from client: hello');
};
ws.onmessage = function (e) { console.log('ws onmessage'); console.log('from server: ' + e.data);
};</script>3、运行结果
可分别查看服务端、客户端的日志，这里不展开。
服务端输出：
server: receive connection. server: received hello
客户端输出：
client: ws connection is open client: received world
四、如何建立连接
前面提到，WebSocket复用了HTTP的握手通道。具体指的是，客户端通过HTTP请求与WebSocket服务端协商升级协议。协议升级完成后，后续的数据交换则遵照WebSocket的协议。
1、客户端：申请协议升级
首先，客户端发起协议升级请求。可以看到，采用的是标准的HTTP报文格式，且只支持GET方法。
GET / HTTP/1.1Host: localhost:8080Origin: http://127.0.0.1:3000Connection: Upgrade Upgrade: websocket Sec-WebSocket-Version: 13Sec-WebSocket-Key: w4v7O6xFTi36lq3RNcgctw==
重点请求首部意义如下：
Connection: Upgrade：表示要升级协议Upgrade: websocket：表示要升级到websocket协议。Sec-WebSocket-Version: 13：表示websocket的版本。如果服务端不支持该版本，需要返回一个Sec-WebSocket-Versionheader，里面包含服务端支持的版本号。Sec-WebSocket-Key：与后面服务端响应首部的Sec-WebSocket-Accept是配套的，提供基本的防护，比如恶意的连接，或者无意的连接。
注意，上面请求省略了部分非重点请求首部。由于是标准的HTTP请求，类似Host、Origin、Cookie等请求首部会照常发送。在握手阶段，可以通过相关请求首部进行 安全限制、权限校验等。
2、服务端：响应协议升级
服务端返回内容如下，状态代码101表示协议切换。到此完成协议升级，后续的数据交互都按照新的协议来。
HTTP/1.1 101 Switching Protocols Connection:Upgrade Upgrade: websocket Sec-WebSocket-Accept: Oy4NRAQ13jhfONC7bP8dTKb4PTU=
备注：每个header都以
\r\n结尾，并且最后一行加上一个额外的空行\r\n。此外，服务端回应的HTTP状态码只能在握手阶段使用。过了握手阶段后，就只能采用特定的错误码。
3、Sec-WebSocket-Accept的计算
Sec-WebSocket-Accept根据客户端请求首部的Sec-WebSocket-Key计算出来。
计算公式为：
将
Sec-WebSocket-Key跟258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11拼接。通过SHA1计算出摘要，并转成base64字符串。
伪代码如下：
>toBase64( sha1( Sec-WebSocket-Key + 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 ) )
验证下前面的返回结果：
const crypto = require('crypto');const magic = '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11';const secWebSocketKey = 'w4v7O6xFTi36lq3RNcgctw==';let secWebSocketAccept = crypto.createHash('sha1')
.update(secWebSocketKey + magic)
.digest('base64');console.log(secWebSocketAccept);// Oy4NRAQ13jhfONC7bP8dTKb4PTU=五、数据帧格式
客户端、服务端数据的交换，离不开数据帧格式的定义。因此，在实际讲解数据交换之前，我们先来看下WebSocket的数据帧格式。
WebSocket客户端、服务端通信的最小单位是帧（frame），由1个或多个帧组成一条完整的消息（message）。
发送端：将消息切割成多个帧，并发送给服务端；
接收端：接收消息帧，并将关联的帧重新组装成完整的消息；
本节的重点，就是讲解数据帧的格式。详细定义可参考 RFC6455 5.2节 。
1、数据帧格式概览
下面给出了WebSocket数据帧的统一格式。熟悉TCP/IP协议的同学对这样的图应该不陌生。
从左到右，单位是比特。比如
FIN、RSV1各占据1比特，opcode占据4比特。内容包括了标识、操作代码、掩码、数据、数据长度等。（下一小节会展开）
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 ... | +---------------------------------------------------------------+
作者：音视频直播技术专家
链接：https://www.jianshu.com/p/e858cf9159b2
随时随地看视频