一、websocket

WebSocket协议是基于TCP的一种新的协议。WebSocket最初在HTML5规范中被引用为TCP连接，作为基于TCP的套接字API的占位符。它实现了浏览器与服务器全双工(full-duplex)通信。其本质是保持TCP连接，在浏览器和服务端通过Socket进行通信。

本文将使用Python编写Socket服务端，一步一步分析请求过程！！！

1. 启动服务端

import socket

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()

...

...

...

启动Socket服务器后，等待用户【连接】，然后进行收发数据。

2. 客户端连接

<script type="text/javascript">

    var socket = new WebSocket("ws://127.0.0.1:8002/xxoo");

    ...

</script>

当客户端向服务端发送连接请求时，不仅连接还会发送【握手】信息，并等待服务端响应，至此连接才创建成功！

3. 建立连接【握手】

import socket

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)

# 获取客户端socket对象

conn, address = sock.accept()

# 获取客户端的【握手】信息

data = conn.recv(1024)

...

...

...

conn.send('响应【握手】信息')

请求和响应的【握手】信息需要遵循规则：

  • 从请求【握手】信息中提取 Sec-WebSocket-Key
  • 利用magic_string 和 Sec-WebSocket-Key 进行hmac1加密，再进行base64加密
  • 将加密结果响应给客户端

注：magic string为：258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11

请求【握手】信息为：

GET /chatsocket HTTP/1.1

Host: 127.0.0.1:8002

Connection: Upgrade

Pragma: no-cache

Cache-Control: no-cache

Upgrade: websocket

Origin: http://localhost:63342

Sec-WebSocket-Version: 13

Sec-WebSocket-Key: mnwFxiOlctXFN/DeMt1Amg==

Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits

...

...

提取Sec-WebSocket-Key值并加密：

import socket

import base64

import hashlib

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')

    for i in data.split('\r\n'):

        print(i)

    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)

conn, address = sock.accept()

data = conn.recv(1024)

headers = get_headers(data) # 提取请求头信息

# 对请求头中的sec-websocket-key进行加密

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"

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_str = response_tpl % (ac.decode('utf-8'), headers['Host'], headers['url'])

# 响应【握手】信息

conn.send(bytes(response_str, encoding='utf-8'))

...

...

...

4.客户端和服务端收发数据

客户端和服务端传输数据时，需要对数据进行【封包】和【解包】。客户端的JavaScript类库已经封装【封包】和【解包】过程，但Socket服务端需要手动实现。

第一步：获取客户端发送的数据【解包】

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')

    print(body)

基于Python实现解包过程（未实现长内容）

解包详细过程：

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17
18
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 ...                |
+---------------------------------------------------------------+

第二步：向客户端发送数据【封包】

def send_msg(conn, msg_bytes):

    """

    WebSocket服务端向客户端发送消息

    :param conn: 客户端连接到服务器端的socket对象,即： conn,address = socket.accept()

    :param msg_bytes: 向客户端发送的字节

    :return:

    """

    import struct

    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

5. 基于Python实现简单示例

a. 基于Python socket实现的WebSocket服务端：

#!/usr/bin/env python

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

import socket

import base64

import hashlib

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

def send_msg(conn, msg_bytes):

    """

    WebSocket服务端向客户端发送消息

    :param conn: 客户端连接到服务器端的socket对象,即： conn,address = socket.accept()

    :param msg_bytes: 向客户端发送的字节

    :return:

    """

    import struct

    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 run():

    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

    sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)

    sock.bind(('127.0.0.1', 8003))

    sock.listen(5)

    conn, address = sock.accept()

    data = conn.recv(1024)

    headers = get_headers(data)

    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"

    value = headers['Sec-WebSocket-Key'] + '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11'

    ac = base64.b64encode(hashlib.sha1(value.encode('utf-8')).digest())

    response_str = response_tpl % (ac.decode('utf-8'), headers['Host'], headers['url'])

    conn.send(bytes(response_str, encoding='utf-8'))

    while True:

        try:

            info = conn.recv(8096)

        except Exception as e:

            info = None

        if not info:

            break

        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')

        send_msg(conn,body.encode('utf-8'))

    sock.close()

if __name__ == '__main__':

    run()

b. 利用JavaScript类库实现客户端

<!DOCTYPE html>

<html>

<head lang="en">

    <meta charset="UTF-8">

    <title></title>

</head>

<body>

    <div>

        <input type="text" id="txt"/>

        <input type="button" id="btn" value="提交" onclick="sendMsg();"/>

        <input type="button" id="close" value="关闭连接" onclick="closeConn();"/>

    </div>

    <div id="content"></div>

<script type="text/javascript">

    var socket = new WebSocket("ws://127.0.0.1:8003/chatsocket");

    socket.onopen = function () {

        /* 与服务器端连接成功后，自动执行 */

        var newTag = document.createElement('div');

        newTag.innerHTML = "【连接成功】";

        document.getElementById('content').appendChild(newTag);

    };

    socket.onmessage = function (event) {

        /* 服务器端向客户端发送数据时，自动执行 */

        var response = event.data;

        var newTag = document.createElement('div');

        newTag.innerHTML = response;

        document.getElementById('content').appendChild(newTag);

    };

    socket.onclose = function (event) {

        /* 服务器端主动断开连接时，自动执行 */

        var newTag = document.createElement('div');

        newTag.innerHTML = "【关闭连接】";

        document.getElementById('content').appendChild(newTag);

    };

    function sendMsg() {

        var txt = document.getElementById('txt');

        socket.send(txt.value);

        txt.value = "";

    }

    function closeConn() {

        socket.close();

        var newTag = document.createElement('div');

        newTag.innerHTML = "【关闭连接】";

        document.getElementById('content').appendChild(newTag);

    }

</script>

</body>

</html>

6. 基于Tornado框架实现Web聊天室

Tornado是一个支持WebSocket的优秀框架，其内部原理正如1~5步骤描述，当然Tornado内部封装功能更加完整。

以下是基于Tornado实现的聊天室示例：

#!/usr/bin/env python

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

import uuid

import json

import tornado.ioloop

import tornado.web

import tornado.websocket

class IndexHandler(tornado.web.RequestHandler):

    def get(self):

        self.render('index.html')

class ChatHandler(tornado.websocket.WebSocketHandler):

    # 用户存储当前聊天室用户

    waiters = set()

    # 用于存储历时消息

    messages = []

    def open(self):

        """

        客户端连接成功时，自动执行

        :return:

        """

        ChatHandler.waiters.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):

        """

        客户端连发送消息时，自动执行

        :param message:

        :return:

        """

        msg = json.loads(message)

        ChatHandler.messages.append(message)

        for client in ChatHandler.waiters:

            content = client.render_string('message.html', **msg)

            client.write_message(content)

    def on_close(self):

        """

        客户端关闭连接时，，自动执行

        :return:

        """

        ChatHandler.waiters.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()

app.py

<!DOCTYPE html>

<html lang="en">

<head>

    <meta charset="UTF-8">

    <title>Python聊天室</title>

</head>

<body>

    <div>

        <input type="text" id="txt"/>

        <input type="button" id="btn" value="提交" onclick="sendMsg();"/>

        <input type="button" id="close" value="关闭连接" onclick="closeConn();"/>

    </div>

    <div id="container" style="border: 1px solid #dddddd;margin: 20px;min-height: 500px;">

    </div>

    <script src="/static/jquery-2.1.4.min.js"></script>

    <script type="text/javascript">

        $(function () {

            wsUpdater.start();

        });

        var wsUpdater = {

            socket: null,

            uid: null,

            start: function() {

                var url = "ws://127.0.0.1:8888/chat";

                wsUpdater.socket = new WebSocket(url);

                wsUpdater.socket.onmessage = function(event) {

                    console.log(event);

                    if(wsUpdater.uid){

                        wsUpdater.showMessage(event.data);

                    }else{

                        wsUpdater.uid = event.data;

                    }

                }

            },

            showMessage: function(content) {

                $('#container').append(content);

            }

        };

        function sendMsg() {

            var msg = {

                uid: wsUpdater.uid,

                message: $("#txt").val()

            };

            wsUpdater.socket.send(JSON.stringify(msg));

        }

</script>

</body>

</html>

index.html

示例源码下载

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