摘要：服務端的開發離不開協議，的出現對于學習通信來說，無疑是非常好的教材。一旦握手成功，一個雙向連接通道就建立了。類型包括文本，二進制，協議層信號等。目前一共有種類型，種保留類型。表示異或，表示取模。

  
服務端的開發離不開協議，swoole的出現對于學習通信來說，無疑是非常好的教材。非常推薦大家下載 Swoole Framework，其中包含了多種協議的php實現，例如FTP，HTTP，Websocket等。本文大部分代碼都是受這個項目的啟發，當然學習的同時別忘了star一下這個項目。筆者本身計算機基礎較弱，寫這篇文章的同時也查了不少資料，如果有錯誤歡迎提出批評。

協議分為兩部分：握手，數據傳輸

客戶端發出的握手信息類似：

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

服務器返回的握手信息類似：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
Sec-WebSocket-Protocol: chat
Sec-WebSocket-Version: 13

兩段信息的第一行大家應該都比較熟悉，是HTTP協議中的Request-Line和Status-Line，RFC2616。下面接著出現的是無序的頭信息，這和HTTP協議相同。 一旦握手成功，一個雙向連接通道就建立了。
連接用于傳輸message, message由一個或多個frame組成。每個frame有一個類型，屬于同一個message的frame的類型都相同。類型包括：文本，二進制，control frame(協議層信號)等。目前一共有6種類型，10種保留類型。

根據上面的客戶端頭信息可以看出，握手和HTTP是兼容的。WS的握手是HTTP的"升級版本"。

客戶端發送的握手請求必須
1. 是一個合法的HTTP請求
2. 方法是GET
3. 頭必須包含HOST字段
4. 頭必須包含Upgrade字段，值為websocket,可以看作是判斷請求為ws的標志。
5. 頭必須包含Connection字段，值為Upgrade。
6. 頭必須包含Sec-WebSocket-Key字段，用于驗證。
7. 如果請求來自瀏覽器，頭必須包含 Origin字段。
8. 頭必須包含Sec-WebSocket-Version字段，值為13

取Sec-WebSocket-Key字段的值，連接一個GUID字符串,"258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11", sha1 hash一下，再base64_encode，得到的值作為字段Sec-WebSocket-Accept的值返回給客戶端。用php代碼表示:

"Sec-WebSocket-Accept" => base64_encode(sha1($key . static::GUID, true))

同時，返回的狀態設置為101，其他狀態都表示握手沒有成功。 Connection,Upgrade字段作為HTTP升級版必須存在。一個握手返回如下：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

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

FIN: 1 bit, 標記是否是最后一個message的最后一個片段

RSV1, RSV2, RSV3： 各 1 bit, 保留標記，都為0

Opcode：4 bits， 是對payload data的說明，指明這個幀的類型。

0x0 表明為接著上一幀的連續幀

0x1 表明為text frame

0x2 表明為binary frame

0x3-7 保留

0x8 表示連接關閉

0x9 為ping

0xA 為pong

0xB-F 保留

- Mask: 1 bit, 指明Payload data是否被mask，如果為1，那么數據需要根據masking-key來unmask。客戶端發送的幀都是mask的。
- Payload length： 7 bits 或 7+16 bits 或 7+64 bits. 如果值為0-125，那么該值就是payload的長度；如果為126，那么接下來的2個byte表示payload長度(16bit, unsigned)； 如果為127，那么接下來的8個bytes表示payload的長度(64bit, unsigned)。
- Masking-key: 0 或 4 bytes, 用于unmask payload data。
- Payload data: 長度為 Payload length, 可以分為 extension data + application data, 擴展數據的長度計算方法是是事先商議好的，剩余的就是應用數據。

masking-key是客戶端隨意指定的32bit長度值。從原始數據到masked數據的方式為：原始數據第i個字節的值 XOR masking-key的第(i%4)個字節的值。XOR表示異或，%表示取模。

當傳遞一個未知長度的數據時，可以不用一下子buffer全部的數據。尤其當數據非常大時，可以分多次buffer，包裝為frame來發送。

看到這里，我們已經了解了frame的結構，是否想嘗試解析一個frame，官方文檔提供了幾段二進制數據，我們可以用來練習一下。我挑選了其中兩段, 代碼如下：

php> 7) & 0x1;
    $RSV1 = ($temp >> 6) & 0x1;
    $RSV2 = ($temp >> 5) & 0x1;
    $RSV3 = ($temp >> 4) & 0x1;
    $opcode = $temp & 0xf;

    echo "First byte: FIN is $FIN, RSV1-3 are $RSV1, $RSV2, $RSV3; Opcode is $opcode 
";

    $temp = ord($data[$offset++]);
    $mask = ($temp >> 7) & 0x1;
    $payload_length = $temp & 0x7f;
    if($payload_length == 126){
        $temp = substr($data, $offset, 2);
        $offset += 2;
        $temp = unpack("nl", $temp);
        $payload_length = $temp["l"];
    }elseif($payload_length == 127){
        $temp = substr($data, $offset, 8);
        $offset += 8;
        $temp = unpack("nl", $temp);
        $payload_length = $temp["l"];
    }
    echo "mask is $mask, payload_length is $payload_length 
";

    if($mask ==0){
        $temp = substr($data, $offset);
        $content = "";
        for ($i=0; $i < $payload_length; $i++) { 
            $content .= $temp[$i];
        }
    }else{
        $masking_key = substr($data, $offset, 4);
        $offset += 4;

        $temp = substr($data, $offset);
        $content = "";
        for ($i=0; $i < $payload_length; $i++) { 
            $content .= chr(ord($temp[$i]) ^ ord($masking_key[$i%4]));
        }
    }

    echo "content is $content 
";
}

  
到這里其實并不算完，ws協議還有很多很多規則，RFC文檔實在是太長了。比如，如何應對每一種control frame，有詳細的說明；如何關閉連接；協議擴展；錯誤處理；安全相關；一些基本的內容都能在swoole framework中找到對應的代碼。