websocket的实现
什么是websocket？
WebSocket 是一种网络通信协议，旨在为客户端和服务器之间提供全双工、实时的通信通道。它是在 HTML5 规范中引入的，可以让浏览器与服务器进行持久化连接，以便实现低延迟的数据交换。
WebSocket 的特点：
- 全双工通信：客户端和服务器可以同时发送和接收消息，而不必等待对方完成操作。
- 轻量级：相较于传统的 HTTP 协议，WebSocket 头部信息更小，这减少了网络开销。
- 持久连接：一旦建立连接，双方可以一直保持这个连接，直到主动关闭。这样避免了频繁建立和关闭连接带来的性能损耗。
- 实时性：适合需要即时数据更新的应用，如在线聊天、游戏、股票行情等
通信过程
websocket通信协议是基于http的，客户端首先发送连接请求request，在该request中包含了基本的HTTP头信息：
GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==
Sec-WebSocket-Version: 13以上这些信息以字符串的形式发送至服务端的rbuffer里，当服务端识别到这些字符串信息后，需要发送相应response进行确认后才能建立websocket连接。确认信息的response应该如下：
接收到客户端的key->
key与“258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”进行拼接，得到新的key-->
使用SHA1算法加密-->
再使用base64加密-->
加上http头信息，以字符串形式的发送至客户端。当客户端收到后，websocket建立。
int response_websock(struct conn *c){
char* key_head = "Sec-WebSocket-Key";
char* start = strstr(c->rbuffer, key_head);
start += 19;
char key[1024] = {0};
int set = 0;
while (*start != '='){
key[set] = *start;
start++;
set++;
}
key[set] = '\0';
char* result = strcat(key, GUID);
unsigned char hash[SHA_DIGEST_LENGTH] = {0};
SHA1((unsigned char*)result, strlen(result), hash);
char* base = base64_encode(hash, SHA_DIGEST_LENGTH);
//strcpy(c->wbuffer, base) ;
snprintf(c->wbuffer, sizeof(c->wbuffer), "HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n"
"Upgrade: websocket\r\n"
"Connection: Upgrade\r\n"
"Sec-WebSocket-Accept: %s\r\n\r\n", base);
c->wlength = strlen(c->wbuffer);
free(base);
}建立websocket连接后，可以互发信息，但是信息是以websocket帧，字节流的形式传送的，所以需要进行编码和解码。
websocket帧结构如下：
发送信息（编码）：
int encoding(struct conn *c){
//写入rbuffer
int message_len = strlen(payload);
int frame_len = 0;
// 设置 FIN 位和 Opcode（文本帧）
c->wbuffer[0] = 0x81; // FIN=1, Opcode=0x1（文本帧）
// 设置 Payload Length
if (message_len <= 125) {
c->wbuffer[1] = message_len; // 不需要额外长度字段
memcpy(&c->wbuffer[2], payload, message_len);
frame_len = 2 + message_len;
}
else if(message_len <= 65535){
c->wbuffer[1] = 126; // 16 位扩展长度
c->wbuffer[2] = (message_len >> 8) & 0xFF; // 高字节
c->wbuffer[3] = message_len & 0xFF; // 低字节
memcpy(&c->wbuffer[4], payload, message_len);
frame_len = 4 + message_len;
}
else{
c->wbuffer[1] = 127; // 64 位扩展长度
// 这里假设消息长度小于 2^32，因此高 4 字节为 0
memset(&c->wbuffer[2], 0, 4);
c->wbuffer[6] = (message_len >> 24) & 0xFF;
c->wbuffer[7] = (message_len >> 16) & 0xFF;
c->wbuffer[8] = (message_len >> 8) & 0xFF;
c->wbuffer[9] = message_len & 0xFF;
memcpy(&c->wbuffer[10], payload, message_len);
frame_len = 10 + message_len;
}
}接收信息（解码):
int encoding(struct conn *c){
int fin = (c->rbuffer[0] & 0X80) >> 7;
int opcode = c->rbuffer[0] & 0x0F; // 操作码
int masked = (c->rbuffer[1] & 0x80) >> 7; // 是否有掩码
int payload_len = c->rbuffer[1] & 0x7F;
unsigned char *mask = NULL; // 掩码键
unsigned char *payload = NULL; // 数据指针
if (payload_len <= 125) {
mask = &c->rbuffer[2];
payload = &c->rbuffer[6];
} else if (payload_len == 126) {
payload_len = ntohs(*(uint16_t *)&c->rbuffer[2]);
mask = &c->rbuffer[4];
payload = &c->rbuffer[8];
} else if (payload_len == 127) {
payload_len = ntohl(*(uint64_t *)&c->rbuffer[2]);
mask = &c->rbuffer[10];
payload = &c->rbuffer[14];
}
for (int i = 0; i < payload_len; i++) { //解析数据（去除掩码）
payload[i] ^= mask[i % 4];
}
// 输出解码后的消息
payload[payload_len] = '\0';
printf("Message from client: %s\n", payload);
}流程总结
由于在建立连接阶段和通信阶段发送的数据形式不同，所以需要在结构体中引入状态机，用于记录是哪种请求，根据不同的状态机，做出不同的response。
int ws_request(struct conn *c){
//判断建立请求连接还是数据帧
if (strstr(c->rbuffer, "Sec-WebSocket-Key") != NULL) {
printf("HTTP handshake request detected.\n");
printf("request: %s", c->rbuffer);
c->wlength = 0;
c->status = 0;
}
else {
printf("WebSocket frame detected.\n");
c->wlength = 0;
c->status = 1;
}
return 0;
}客户端发送request -> 服务端读取数据，判断是请求连接还是发送websocket帧 ->根据不同status做出相应反应
int ws_response(struct conn *c){
//返回建立连接
if(c->status == 0){
response_websock(xxx);
}
else if (c->status == 1){
//解码
encoding(xxx);
//编码
decoding(xxx);
}
return c->wlength;
}整体流程如下：
conn_list数组相当于一个用户和内核的中介，用来存放内核建立的连接以及用于拷贝内核接收到的数据。在websocket时，还额外引入了status的状态。
这个图可以清晰的显示出reactor的优点，即将业务和网络io管理分开。websocket用来实现业务，reactor用来实现网络io的管理。
课程地址：www.github.com/0voice
