WebSocke实时通讯协议

WebSocket 是什么？

WebSocket 是一种网络通信协议。RFC6455 定义了它的通信标准。

WebSocket 是 HTML5 开始提供的一种在单个 TCP 连接上进行全双工通讯的协议。

为什么需要 WebSocket ？

了解计算机网络协议的人，应该都知道：HTTP 协议是一种无状态的、无连接的、单向的应用层协议。它采用了请求/响应模型。通信请求只能由客户端发起，服务端对请求做出应答处理。

这种通信模型有一个弊端：HTTP 协议无法实现服务器主动向客户端发起消息。

这种单向请求的特点，注定了如果服务器有连续的状态变化，客户端要获知就非常麻烦。大多数 Web 应用程序将通过频繁的异步JavaScript和XML（AJAX）请求实现长轮询。轮询的效率低，非常浪费资源（因为必须不停连接，或者 HTTP 连接始终打开）。

WebSocket 如何工作？

Web浏览器和服务器都必须实现 WebSockets 协议来建立和维护连接。由于 WebSockets 连接长期存在，与典型的HTTP连接不同，对服务器有重要的影响。

基于多线程或多进程的服务器无法适用于 WebSockets，因为它旨在打开连接，尽可能快地处理请求，然后关闭连接。任何实际的 WebSockets 服务器端实现都需要一个异步服务器。

    -服务端（socket服务器）
        1.服务器开启socket，监听ip和端口
        3.允许连接
        * 5.服务端收到特殊值【特殊值加密sha1,migic string="258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"】
        * 6.加密后的值发送给客户端
        
    -客户端（浏览器）
        2.客户端发起连接请求（ip和端口）
        * 4.客户端生成一个随机字符串xxx,【特殊值加密sha1,migic string="258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"】，向服务端发送一段特殊值
        * 7.客户端收到加密的值
        
    ***收发数据***
"""
1.位运算，右移动
10010001
右4
00001001
左4
100100010000
2.异或运算
1，1：1
0，1 ：0
0，0 ：0

查看某个数的后四位
10001010
00001111
00001010

info = b'\x81\x8b\xc9\x11\x81b\xa1t\xed\x0e\xa61\xf6\r\xbb}\xe5'
opcode = info[0] & 15  获取第一个字节的后四位
fin = info[0] >> 7
payload_len = info[1] & 127
if payload_len<126:
    头部占2个字节
elif payload_len == 126:
    头部占4个字节
else:
    头部占10个字节

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

WebSocket 客户端

在客户端，没有必要为 WebSockets 使用 JavaScript 库。实现 WebSockets 的 Web 浏览器将通过 WebSockets 对象公开所有必需的客户端功能（主要指支持 Html5 的浏览器）。

客户端 API

以下 API 用于创建 WebSocket 对象。

因此，工程师们一直在思考，有没有更好的方法。WebSocket 就是这样发明的。WebSocket 连接允许客户端和服务器之间进行全双工通信，以便任一方都可以通过建立的连接将数据推送到另一端。WebSocket 只需要建立一次连接，就可以一直保持连接状态。这相比于轮询方式的不停建立连接显然效率要大大提高。

var Socket = new WebSocket(url, [protocol] );

WebSocket 属性

以下是 WebSocket 对象的属性。假定我们使用了以上代码创建了 Socket 对象：

WebSocket 事件

以下是 WebSocket 对象的相关事件。假定我们使用了以上代码创建了 Socket 对象：

WebSocket 方法

以下是 WebSocket 对象的相关方法。假定我们使用了以上代码创建了 Socket 对象：

示例一：websocket+tornado实现聊天室


"en">

    "UTF-8">
    Title
    



"width: 750px;margin: 0 auto;background-color: #dddddd">
    
"background-color: lawngreen">1024聊天室

    
class="container">

    
class="input">
        class="name" style="width: 50px;height: 15px;" type="text" value="游客">
        "text" id="txt">
        "button" id="btn" value="发送" onclick="sendMessage()">
        "button" id="close" value="关闭连接" onclick="closeConn()"/>
    

     
"content">
前端 
# -*- coding: utf-8 -*-

"""
@Datetime: 2018/8/28
@Author: Zhang Yafei
"""
import json
import uuid

import tornado.web
import tornado.ioloop
import tornado.websocket


class IndexHandler(tornado.web.RequestHandler):
    def get(self, *args, **kwargs):
        self.render('index.html')


class ChatHandler(tornado.websocket.WebSocketHandler):

    users = set()
    messages = []
    def open(self, *args, **kwargs):
        """
        客户端和服务器已经建立连接
        1.连接
        2.握手
        :param args:
        :param kwargs:
        :return:
        """
        ChatHandler.users.add(self)
        # uid = str(uuid.uuid4())
        # self.write_message(uid)

        # for msg in ChatHandler.messages:
        #     content = self.render_string('message.html', **msg)
        #     self.write_message(content)

    def on_message(self, message):
        msg = json.loads(message)
        ChatHandler.messages.append(message)

        for client in ChatHandler.users:
            content = self.render_string('message.html',**msg)
            client.write_message(content)

    def on_close(self):
        """
        客户端主动关闭连接
        :return:
        """
        ChatHandler.users.remove(self)


def run():
    settings = {
        'template_path': 'templates',
        'static_path': 'static',
    }
    application = tornado.web.Application([
        (r"/", IndexHandler),
        (r"/chat", ChatHandler),
    ], **settings)
    application.listen(8888)
    tornado.ioloop.IOLoop.instance().start()


if __name__ == "__main__":
    run()
后端

1024聊天室效果图

示例二：websocket+flask实现实时投票系统


"zh-CN">

    "utf-8">
    "X-UA-Compatible" content="IE=edge">
    "viewport" content="width=device-width, initial-scale=1">
    
    "description" content="">
    "author" content="">

    投票系统
    
    "https://cdn.bootcss.com/bootstrap/3.3.7/css/bootstrap.min.css" rel="stylesheet">

    
    "static/css/ie10-viewport-bug-workaround.css" rel="stylesheet">
    "static/plugins/font-awesome-4.7.0/css/font-awesome.min.css" rel="stylesheet">

    
    "static/css/dashboard.css" rel="stylesheet">

    








class="row">
    
class="col-sm-3 col-md-2 sidebar">
        
    

    
class="col-sm-9 col-sm-offset-3 col-md-10 col-md-offset-2 main">
        
class="page-header">候选人

        
        
    "userList" class="row placeholders">
            {% for key,val in users.items() %}
                
    class="col-xs-6 col-sm-3 placeholder">
                    "{{ val['image'] }}" width="200" height="200" class="img-responsive"
                         alt="Generic placeholder thumbnail">
                    
    
                        {{ val['name'] }}
                        class="badge" id="id_{{ key }}" style="background-color: red">{{ val['count'] }}
                        
                    
    
                    
  • "vote({{ key }})" class="text-muted btn btn-primary">投票
    • 
                
    
            {% endfor %}
前端 
# -*- coding: utf-8 -*-

"""
@Datetime: 2019/1/9
@Author: Zhang Yafei
"""
from flask import Flask,render_template,request
from geventwebsocket.handler import WebSocketHandler
from gevent.pywsgi import WSGIServer
import json

app = Flask(__name__)

USERS = {
    '1':{'name':'姚明','count':1,'image':'static/images/姚明.jpg'},
    '2':{'name':'詹姆斯','count':0,'image':'static/images/詹姆斯.jpg'},
    '3':{'name':'科比','count':0,'image':'static/images/科比.jpg'},
}


# http://127.0.0.1:5000/index
@app.route('/index')
def index():
    return render_template('home.html',users=USERS)


# http://127.0.0.1:5000/message
WEBSOCKET_LIST = []


@app.route('/message')
def message():
    ws = request.environ.get('wsgi.websocket')
    # ws为空表示http请求，否则为websocket请求
    if not ws:
        print('http')
        return '您使用的是Http协议'
    WEBSOCKET_LIST.append(ws)
    while True:
        cid = ws.receive()
        if not cid:
            WEBSOCKET_LIST.remove(ws)
            ws.close()
            break
        old = USERS[cid]['count']
        new = old + 1
        USERS[cid]['count'] = new
        for client in WEBSOCKET_LIST:
            client.send(json.dumps({'cid':cid,'count':new}))


if __name__ == '__main__':
    # http协议走app， websocket协议走websocket
    http_server = WSGIServer(('0.0.0.0', 80), app, handler_class=WebSocketHandler)
    http_server.serve_forever()
后端

投票系统效果图

 手动实现websocket

# -*- coding: utf-8 -*-

"""
@Datetime: 2018/8/28
@Author: Zhang Yafei
"""
import base64
import hashlib
import socket
import struct


def send_msg(conn, msg_bytes):

    token = b"\x81"
    length = len(msg_bytes)
    if length < 126:
        token += struct.pack("B", length)
    elif length <= 0xFFFF:
        token += struct.pack("!BH", 126, length)
    else:
        token += struct.pack("!BQ", 127, length)

    msg = token + msg_bytes
    conn.send(msg)
    return True


def get_headers(data):
    """
    将请求头格式化成字典
    :param data:
    :return:
    """
    header_dict = {}
    data = str(data, encoding='utf-8')

    header, body = data.split('\r\n\r\n', 1)
    header_list = header.split('\r\n')
    for i in range(0, len(header_list)):
        if i == 0:
            if len(header_list[i].split(' ')) == 3:
                header_dict['method'], header_dict['url'], header_dict['protocol'] = header_list[i].split(' ')
        else:
            k, v = header_list[i].split(':', 1)
            header_dict[k] = v.strip()
    return header_dict


sock = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
sock.bind(('127.0.0.1',8002))
sock.listen(5)

#等待用户连接
conn,address = sock.accept()
#握手消息
data = conn.recv(8096)
headers = get_headers(data)
# for k,v in headers.items():
#     print(k,v)
magic_string = "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"
value = headers['Sec-WebSocket-Key'] + magic_string
ac = base64.b64encode(hashlib.sha1(value.encode('utf-8')).digest())

response_tpl = "HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n" \
               "Upgrade:websocket\r\n" \
               "Connection:Upgrade\r\n" \
               "Sec-WebSocket-Accept:%s\r\n" \
               "WebSocket-Location:ws://%s%s\r\n\r\n"



#获取握手消息，magic string.sha1加密
#发送回客户端
response_str = response_tpl % (ac.decode('utf-8'), headers['Host'], headers['url'])
conn.send(bytes(response_str, encoding='utf-8'))
while True:
    info = conn.recv(8096)
    payload_len = info[1] & 127

    if payload_len == 126:
        extend_payload_len = info[2:4]
        mask = info[4:8]
        decoded = info[8:]
    elif payload_len == 127:
        extend_payload_len = info[2:10]
        mask = info[10:14]
        decoded = info[14:]
    else:
        extend_payload_len = None
        mask = info[2:6]
        decoded = info[6:]

    bytes_list = bytearray()
    for i in range(len(decoded)):
        chunk = decoded[i] ^ mask[i % 4]
        bytes_list.append(chunk)
    body = str(bytes_list, encoding='utf-8')
    body = body + '见到你很开心！'
    send_msg(conn,bytes(body,encoding='utf-8'))
app.py 
DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>Titletitle>
head>
<body>
<script>
    ws = new WebSocket("ws://127.0.0.1:8002");
    ws.onopen = function () {
        console.log('1111');
        ws.send('hello 张亚飞')
    };
    ws.onmessage = function (event) {
        console.log(event);
    };
    ws.onclose = function () {
    }
script>
body>
html>
client.html

知识点

1. 什么是websocket？
    是一套协议，协议规定了：
        - 连接时需要握手
        - 发送数据进行加密
        - 连接之后不断开

2. websocket的意义？
    实现服务段想客户端主动推送消息，实时通讯
    
3. websocket的兼容性是他的缺点。

4. 哪些框架支持websocket？
    - flask，gevent-websocket 
    - django，channel
    - torando框架自带
    
5. 应用场景？
    实时响应页面时，可以使用websocket。
6. websocket实现原理
websocket原理：
    1. 服务端运行，等待客户端连接
    2. 小强来连接，服务端同意。
    3. 小强立即发送一个“握手信息”
        GET /xxxx HTTP/1.1\r\n
        Host: 127.0.0.1:8002\r\n
        Connection: Upgrade\r\n
        Pragma: no-cache\r\n
        Cache-Control: no-cache\r\n
        Upgrade: websocket\r\n
        Origin: http://localhost:63342\r\nSec-WebSocket-Version: 13\r\n
        User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/63.0.3239.132 Safari/537.36\r\n
        Accept-Encoding: gzip, deflate, br\r\n
        Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9\r\n
        Cookie: csrftoken=ojyruuaF3Tk0OToIrXy1sRSdSk3SeDgd6Ti3jocEXAuEExaMtxjhJglpenj6Iq8F\r\n
        Sec-WebSocket-Key: 4NZY2fTOr691upgWe2yq7w==\r\n ########  这里 ########
        Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits\r\n\r\n
    4. 服务端接收握手信息后需要对数据进行加密，给客户端返回
         - 4NZY2fTOr691upgWe2yq7w + magic_string 
         - sha1
         - base64 
            response_tpl = "HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n" \
                  "Upgrade:websocket\r\n" \
                  "Connection: Upgrade\r\n" \
                  "Sec-WebSocket-Accept: 加密之后的结果\r\n" \
                  "WebSocket-Location: ws://127.0.0.1:8002\r\n\r\n"


    双方可以进行互相通信：
    5. 小强给服务端发送消息：
        读取第二个字节的后7位
            127：10,4,数据
            126：4,4,数据
          <=125: 2,4,数据
    6. 服务端给客户端发送消息：
        token = b"\x81"
        length = len(msg_bytes)
        if length < 126:
            token += struct.pack("B", length)
        elif length <= 0xFFFF:
            token += struct.pack("!BH", 126, length)
        else:
            token += struct.pack("!BQ", 127, length)
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