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WebSocket 協議和知識
WebSocket是一種在單個TCP連接上進行全雙工通信的協議。WebSocket通信協議於2011年被IETF定爲標準RFC 6455，並由RFC7936補充規範。WebSocket API也被W3C定爲標準。
WebSocket使得客戶端和服務器之間的數據交換變得更加簡單，允許服務端主動向客戶端推送數據。在WebSocket API中，瀏覽器和服務器只需要完成一次握手，兩者之間就直接可以創建持久性的連接，並進行雙向數據傳輸。
爲什麼會有 WebSocket
以前，很多網站爲了實現推送技術，所用的技術都是輪詢。輪詢是在特定的的時間間隔（如每1秒），由瀏覽器對服務器發出HTTP請求，然後由服務器返回最新的數據給客戶端的瀏覽器。這種傳統的模式帶來很明顯的缺點，即瀏覽器需要不斷的向服務器發出請求，然而HTTP請求可能包含較長的頭部，其中真正有效的數據可能只是很小的一部分，顯然這樣會浪費很多的帶寬等資源。
而比較新的技術去做輪詢的效果是Comet。這種技術雖然可以雙向通信，但依然需要反覆發出請求。而且在Comet中，普遍採用的長鏈接，也會消耗服務器資源。
在這種情況下，HTML5定義了WebSocket協議，能更好的節省服務器資源和帶寬，並且能夠更實時地進行通訊。
WebSocket 有什麼優點
開銷少、時時性高、二進制支持完善、支持擴展、壓縮更優。
較少的控制開銷。在連接創建後，服務器和客戶端之間交換數據時，用於協議控制的數據包頭部相對較小。在不包含擴展的情況下，對於服務器到客戶端的內容，此頭部大小隻有2至10字節（和數據包長度有關）；對於客戶端到服務器的內容，此頭部還需要加上額外的4字節的掩碼。相對於HTTP請求每次都要攜帶完整的頭部，此項開銷顯著減少了。
更強的實時性。由於協議是全雙工的，所以服務器可以隨時主動給客戶端下發數據。相對於HTTP請求需要等待客戶端發起請求服務端才能響應，延遲明顯更少；即使是和Comet等類似的長輪詢比較，其也能在短時間內更多次地傳遞數據。
保持連接狀態。與HTTP不同的是，Websocket需要先創建連接，這就使得其成爲一種有* 狀態的協議，之後通信時可以省略部分狀態信息。而HTTP請求可能需要在每個請求都攜帶狀態信息（如身份認證等）。更好的二進制支持。Websocket定義了二進制幀，相對HTTP，可以更輕鬆地處理二進制內容。
可以支持擴展。Websocket定義了擴展，用戶可以擴展協議、實現部分自定義的子協議。如部分瀏覽器支持壓縮等。
更好的壓縮效果。相對於HTTP壓縮，Websocket在適當的擴展支持下，可以沿用之前內容的上下文，在傳遞類似的數據時，可以顯著地提高壓縮率。
握手是怎麼回事？
WebSocket 是獨立的、創建在 TCP 上的協議。
Websocket 通過HTTP/1.1 協議的101狀態碼進行握手。
爲了創建Websocket連接，需要通過瀏覽器發出請求，之後服務器進行迴應，這個過程通常稱爲“握手”（handshaking）。
WebSocket 協議規範
WebSocket 是一個通信協議，它規定了一些規範和標準。它的協議標準爲 RFC 6455，具體的協議內容可以在tools.ietf.org中查看。
協議共有 14 個部分，其中包括協議背景與介紹、握手、設計理念、術語約定、雙端要求、掩碼以及連接關閉等內容。
雙端交互流程
客戶端與服務端交互流程如下所示：
客戶端 - 發起握手請求 - 服務器接到請求後返回信息 - 連接建立成功 - 消息互通
所以，要解決的第一個問題就是握手問題。
握手 - 客戶端
關於握手標準，在協議中有說明：
The opening handshake is intended to be compatible with HTTP-based
server-side software and intermediaries, so that a single port can be
used by both HTTP clients talking to that server and WebSocket
clients talking to that server. To this end, the WebSocket client's
handshake is an HTTP Upgrade request:
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
In compliance with [RFC2616], header fields in the handshake may be
sent by the client in any order, so the order in which different
header fields are received is not significant.
WebSocket 握手時使用的並不是 WebSocket 協議，而是 HTTP 協議，握手時發出的請求可以叫做升級請求。客戶端在握手階段通過：
Upgrade: websocket Connection: Upgrade
Connection 和 Upgrade 這兩個頭域告知服務端，要求將通信的協議轉換爲 websocket。其中 Sec-WebSocket-Version、Sec-WebSocket-Protocol 這兩個頭域表明通信版本和協議約定， Sec-WebSocket-Key 則作爲一個防止無端連接的保障（其實並沒有什麼保障作用，因爲 key 的值完全由客戶端控制，服務端並無驗證機制），其他幾個頭域則與 HTTP
協議的作用一致。
握手 - 服務端
剛纔只是客戶端發出一個 HTTP 請求，表明想要握手，服務端需要對信息進行驗證，確認以後纔算握手成功（連接建立成功，可以雙向通信），然後服務端會給客戶端回覆："小老弟你好，沒有內鬼，連接達成！"
服務端需要回復什麼內容呢？
Status Code: 101 Web Socket Protocol Handshake Sec-WebSocket-Accept: T5ar3gbl3rZJcRmEmBT8vxKjdDo= Upgrade: websocket Connection: Upgrade
首先，服務端會給出狀態碼，101 狀態碼錶示服務器已經理解了客戶端的請求，並且回覆 Connection 和 Upgrade 表示已經切換成 websocket 協議。Sec-WebSocket-Accept 則是經過服務器確認，並且加密過後的 Sec-WebSocket-Key。
這樣，客戶端與服務端就完成了握手操作，達成一致，使用 WebSocket 協議進行通信。
你來我往 - 數據交流
雙方握手成功並確認協議後，就可以互相發送信息了。它們的信息是如何發送的呢？難道是：
client: Hello, server boy
server: Hello, client girl
跟我們在微信和 QQ 中發信息是一樣的嗎？
雖然我們看到的信息是這樣的，但是在傳輸過程中可不是這樣子的。傳輸這部也有相應的規定：
In the WebSocket Protocol, data is transmitted using a sequence of
frames. To avoid confusing network intermediaries (such as
intercepting proxies) and for security reasons that are further
discussed in Section 10.3, a client MUST mask all frames that it
sends to the server (see Section 5.3 for further details). (Note
that masking is done whether or not the WebSocket Protocol is running
over TLS.) The server MUST close the connection upon receiving a
frame that is not masked. In this case, a server MAY send a Close
frame with a status code of 1002 (protocol error) as defined in
Section 7.4.1. A server MUST NOT mask any frames that it sends to
the client. A client MUST close a connection if it detects a masked
frame. In this case, it MAY use the status code 1002 (protocol
error) as defined in Section 7.4.1. (These rules might be relaxed in
a future specification.)The base framing protocol defines a frame type with an opcode, a
payload length, and designated locations for "Extension data" and
"Application data", which together define the "Payload data".
Certain bits and opcodes are reserved for future expansion of the
protocol.
協議中規定傳輸時並不是直接使用 unicode 編碼進行傳輸，而是使用幀(frame)，數據幀協議定義了帶有操作碼的幀類型，有效載荷長度，以及“擴展數據”和的指定位置應用程序數據”，它們共同定義“有效載荷數據”。某些位和操作碼保留用於將來的擴展協議。
數據幀的格式如圖所示:
幀由以下幾部分組成：
FIN、RSV1、RSV2、RSV3、opcode、MASK、Payload length、Masking-key、Payload-Data。它們的含義和作用如下：
1.FIN: 佔 1bit
0：不是消息的最後一個分片
1：是消息的最後一個分片
2.RSV1, RSV2, RSV3：各佔 1bit
一般情況下全爲 0。當客戶端、服務端協商採用 WebSocket 擴展時，這三個標誌位可以非 0，且值的含義由擴展進行定義。如果出現非零的值，且並沒有採用 WebSocket 擴展，連接出錯。
3.Opcode: 4bit
%x0：表示一個延續幀。當 Opcode 爲 0 時，表示本次數據傳輸採用了數據分片，當前收到的數據幀爲其中一個數據分片；
%x1：表示這是一個文本幀（text frame）；
%x2：表示這是一個二進制幀（binary frame）；
%x3-7：保留的操作代碼，用於後續定義的非控制幀；
%x8：表示連接斷開；
%x9：表示這是一個心跳請求（ping）；
%xA：表示這是一個心跳響應（pong）；
%xB-F：保留的操作代碼，用於後續定義的控制幀。
4.Mask: 1bit
表示是否要對數據載荷進行掩碼異或操作。
0：否
1：是
5.Payload length: 7bit or (7 + 16)bit or (7 + 64)bit
表示數據載荷的長度。
0~126：數據的長度等於該值；
126：後續 2 個字節代表一個 16 位的無符號整數，該無符號整數的值爲數據的長度；
127：後續 8 個字節代表一個 64 位的無符號整數（最高位爲 0），該無符號整數的值爲數據的長度。
6.Masking-key: 0 or 4bytes
當 Mask 爲 1，則攜帶了 4 字節的 Masking-key；
當 Mask 爲 0，則沒有 Masking-key。
掩碼算法：按位做循環異或運算，先對該位的索引取模來獲得 Masking-key 中對應的值 x，然後對該位與 x 做異或，從而得到真實的 byte 數據。
注意：掩碼的作用並不是爲了防止數據泄密，而是爲了防止早期版本的協議中存在的代理緩存污染攻擊（proxy cache poisoning attacks）等問題。
7.Payload Data: 載荷數據
雙端接收到數幀之後，就可以根據數據幀各個位置的值進行處理或信息提取。
掩碼
這裏要注意的是從客戶端向服務端發送數據時，需要對數據進行掩碼操作；從服務端向客戶端發送數據時，不需要對數據進行掩碼操作。如果服務端接收到的數據沒有進行過掩碼操作，服務端需要斷開連接。如果Mask是1，那麼在Masking-key中會定義一個掩碼鍵（masking key），並用這個掩碼鍵來對數據載荷進行反掩碼。所有客戶端發送到服務端的數據幀，Mask都是1。
保持連接
剛纔提到 WebSocket 協議是雙向通信的，那麼一旦連接上，就不會斷開了嗎？
事實上確實是這樣，但是服務端不可能讓所有的連接都一直保持，所以服務端通常會在一個定期的時間給客戶端發送一個 ping 幀，而客戶端收到 Ping 幀後則回覆一個 Pong 幀，如果客戶端不響應，那麼服務端就會主動斷開連接。
opcode 幀爲 0x09 則代表這是一個 Ping ，爲 0x0A 則代表這是一個 Pong。
WebSocket 協議學習小結
WebSocket 的協議寫得比較規範，比較容易閱讀和理解。只要遵循協議中的規定，就可以實現穩定的通信連接和數據傳輸。
aiowebsocket 設計
基於對協議的學習，我編了一個開源的異步 WebSocket 庫 - aiowebsocket，它的文件結構和類的設計如下圖所示：
aiowebsocket
aiowebsocket 是一個比同類型庫更快、更輕、更靈活的 WebSocket 客戶端，它基於 asyncio 開並具備了與 websocket-client 和 websockets 庫簡單易用的特點。這是我用 7 天時間學習 WebSocket 知識以及 Python 文檔 Stream 知識的成果。
安裝與使用
安裝：跟其他庫一樣，你可以通過 pip 進行安裝:pip install aiowebsocket，也可以在 github 上 clone 到本地使用。
使用：WebSocket 協議的簡寫是 ws，它與 http/https 類似，具有更安全的協議 wss。使用上的區別並不大，只需要在創建連接時打開 ssl 即可。
ws 協議示例代碼：
import asyncio
import logging
from datetime import datetime
from aiowebsocket.converses import AioWebSocket
async def startup(uri):
async with AioWebSocket(uri) as aws:
converse = aws.manipulator
message = b'AioWebSocket - Async WebSocket Client'
while True:
await converse.send(message)
print('{time}-Client send: {message}'
.format(time=datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S'), message=message))
mes = await converse.receive()
print('{time}-Client receive: {rec}'
.format(time=datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S'), rec=mes))
if __name__ == '__main__':
remote = 'ws://echo.websocket.org'
try:
asyncio.get_event_loop().run_until_complete(startup(remote))
except KeyboardInterrupt as exc:
logging.info('Quit.')
運行後就會得到如下結果：
2019-03-04 15:11:25-Client send: b'AioWebSocket - Async WebSocket Client'
2019-03-04 15:11:25-Client receive: b'AioWebSocket - Async WebSocket Client'
2019-03-04 15:11:25-Client send: b'AioWebSocket - Async WebSocket Client'
2019-03-04 15:11:25-Client receive: b'AioWebSocket - Async WebSocket Client'
這代表客戶端與服務連接成功並正常通信。
wss 協議示例代碼：
# 開啓 ssl 即可
import asyncio
import logging
from datetime import datetime
from aiowebsocket.converses import AioWebSocket
async def startup(uri):
async with AioWebSocket(uri, ssl=True) as aws:
converse = aws.manipulator
message = b'AioWebSocket - Async WebSocket Client'
while True:
await converse.send(message)
print('{time}-Client send: {message}'
.format(time=datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S'), message=message))
mes = await converse.receive()
print('{time}-Client receive: {rec}'
.format(time=datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S'), rec=mes))
if __name__ == '__main__':
remote = 'wss://echo.websocket.org'
try:
asyncio.get_event_loop().run_until_complete(startup(remote))
except KeyboardInterrupt as exc:
logging.info('Quit.')
運行結果與上方運行結果類似。除此之外，aiowebsocket 還允許自定義請求頭，在連接一些需要校驗 origin、user-agent 和 host 頭域信息的網站時，自定義請求頭就非常有用了：
import asyncio
import logging
from datetime import datetime
from aiowebsocket.converses import AioWebSocket
async def startup(uri, header):
async with AioWebSocket(uri, headers=header) as aws:
converse = aws.manipulator
message = b'AioWebSocket - Async WebSocket Client'
while True:
await converse.send(message)
print('{time}-Client send: {message}'
.format(time=datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S'), message=message))
mes = await converse.receive()
print('{time}-Client receive: {rec}'
.format(time=datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S'), rec=mes))
if __name__ == '__main__':
remote = 'ws://123.207.167.163:9010/ajaxchattest'
header = [
'GET /ajaxchattest HTTP/1.1',
'Connection: Upgrade',
'Host: 123.207.167.163:9010',
'Origin: http://coolaf.com',
'Sec-WebSocket-Key: RmDgZzaqqvC4hGlWBsEmwQ==',
'Sec-WebSocket-Version: 13',
'Upgrade: websocket',
]
try:
asyncio.get_event_loop().run_until_complete(startup(remote, header))
except KeyboardInterrupt as exc:
logging.info('Quit.')
ws://123.207.167.163:9010/ajaxchattest 是一個免費的、開放的 WebSocket 連接測試接口，它在握手階段會校驗 origin 頭域，如果不符合規範則不允許客戶端連接。
項目 Github 地址爲