[转]通过抓包，深入了解 WebSocket 协议

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1. 背景

过去，在创建需要在客户端和服务端之间进行双向通信的 Web 应用程序（比如，即时通讯和游戏应用程序）时，需要滥用

HTTP，轮询服务端以获取更新，并且通过单独的 HTTP 调用发送上行通知。

这导致许多问题：

服务器被迫为每个客户端使用多个不同的底层 TCP 连接：一个用于向客户端发送信息，每个传入的消息都需要建立新

连接。

协议开销较高，每个客户端到服务端的消息都带有 HTTP 头。

客户端脚本被迫维护从出站连接到入站连接的映射，以跟踪回复。

更简单的解决方案是在两个方向上使用单个 TCP 连接进行通信。这就是 WebSocket 协议所提供的。它为网页与远程服务

器之间的双向通信提供一种替代 HTTP 轮询的选择。该技术可以用于各种 Web 应用程序，比如游戏、股票行情、支持并

发编辑的多用户应用程序、实时公开服务器端服务的用户界面等。

WebSocket 协议旨在取代使用 HTTP 作为传输层的双向通信技术，以便利用现有基础设施（代理、过滤、身份验证）。由

于 HTTP 最初并非为双向通信而设计，因此这些技术是在效率和可靠性之间进行权衡的情况下实施的。

WebSocket 协议的目标是在现有的 HTTP 基础设施环境中，实现双向 HTTP 技术。因此，WebSocket 协议被设计为可以

在 HTTP 端口 80 和 443 上运行，并且支持 HTTP 代理和中间设备，即使可能引入一些特定于当前环境的复杂性。然而，

WebSocket 的设计不局限于 HTTP，未来的实现可以在专用端口上使用更简单的握手方式，而无需重新设计整个协议。最

后一点很重要，因为交互式消息的流量模式与标准 HTTP 流量不完全匹配，某些组件可能产生异常负载。

2. WebSocket 握手

WebSocket 服务端使用标准 TCP 套接字监听进入的连接。下文假定服务端监听的端口，响应 example.com 8000

上的 GET 请求。example.com/chat

握手是 WebSocket 中 “Web”。它是从 HTTP 到 WebSocket 的桥梁。在握手过程中，协商连接的细节，并且如果行为

不合法，那么任何一方都可以在完成前退出。服务端必须仔细理解客户端的所有要求，否则可能出现安全问题。

2.1 客户端握手请求

客户端通过联系服务端，请求 WebSocket 连接的方式，发起 WebSocket 握手流程。客户端发送带有如下请求头的标准

HTTP 请求（HTTP 版本必须是 1.1 或更高，并且请求方法必须是 GET）：

GET /chat HTTP/1.1

Host: example.com:8000

Upgrade: websocket

Connection: Upgrade

Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==

Sec-WebSocket-Version: 13

在这里，客户端可以请求扩展和/或子协议。此外，也可以使用常见的请求头，比如、、 User-Agent Referer Cookie

在这里，客户端可以请求扩展和/或子协议。此外，也可以使用常见的请求头，比如   、   、    User-Agent   Referer   Cookie 
或者身份验证请求头。这些请求头与 WebSocket 没有直接关联。
如果存在不合法的请求头，那么服务端应该发送 400 响应（“Bad Request”），并且立即关闭套接字。通常情况下，服
务端可以在 HTTP 响应体中提供握手失败的原因 。如果服务端不支持该版本的 WebSocket，那么它应该发送包含它支持的
版本的   头。在上面的示例中，它指示 WebSocket 协议的版本为 13。 Sec-WebSocket-Version 
在请求头中，最值得关注的是   。接下来，将讲述它。 Sec-WebSocket-Key 
2.2 服务端握手响应
当服务端收到握手请求时，将发送一个特殊响应，该响应表明协议将从 HTTP 变更为 WebSocket。该响应头大致如下（记
住，每个响应头行以   结尾，在最后一行的后面添加额外的   ，以说明响应头结束）： \r\n   \r\n 
HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
此外，服务端可以在这里对扩展/子协议请求做出选择。   响应头很重要，服务端必须通过客户端 Sec-WebSocket-Accept 
发送的   请求头生成它。具体的方式是，将客户端的   与字符串  Sec-WebSocket-Key   Sec-WebSocket-Key   "258EAFA5-
 （“魔法字符串”）连接在一起，然后对结果进行 SHA-1 哈希运算，最后返回哈希E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11" 
值的 Base64 编码。
因此，如果 Key 为   ，那么   响应头的值是  "dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ=="   Sec-WebSocket-Accept   
 。服务端发送这些响应头后，握手完成，可以开始交换数据。"s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=" 
下面的 Python 代码根据   请求头生成   响应头的值： Sec-WebSocket-Key   Sec-WebSocket-Accept 
 typingimport
 hashlib   sha1from import
 base64import
SEC_WS_MAGIC_STRING:     bbytes = "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"
 get_sec_ws_accept(sec_ws_key: typing.Union[ ,  ])    :def bytes str -> bytes
       (sec_ws_key,  ):if isinstance str
        sec_ws_key   sec_ws_key.encode()=
      base64.b64encode(sha1(sec_ws_key   SEC_WS_MAGIC_STRING).digest())return +
      :if __name__ == "__main__"
      get_sec_ws_accept(b )   bassert "dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==" == "s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo="
3. 数据帧（Data Framing）
3.1 概览
在 WebSocket 协议中，使用一系列帧传输数据。为避免混淆网络中间人（比如拦截代理），以及出于安全考虑，客户端必
须对发送给服务端的所有帧进行掩码（Mask）处理。（注意，无论 WebSocket 协议是否运行在 TLS 上，都需要进行掩码
处理。）服务端在收到未进行掩码处理的帧时，必须关闭连接。在这种情况下，服务端可以发送状态码为 1002（协议错
误）的关闭帧。服务端不得对发送给客户端的任何帧进行掩码处理。如果客户端检测到掩码帧，那么必须关闭连接。在这种
情况下，可以使用状态码 1002（协议错误）。（在将来的规范中，可能放宽这些规则。）

基础帧协议定义了一种帧类型，包括操作码（Opcode）、有效载荷长度，以及“扩展数据”和“应用数据”的指定位置，

它们一起定义“有效载荷数据”。一些位和操作码被保留，以供未来扩展协议。

在握手完成后，端点被发送关闭帧前，客户端和服务端可以随时传输数据帧。

3.2 基础帧协议

帧的格式如下图所示：

FIN：1 比特

表示该帧是消息中的最后一个分片。第一个分片也可能是最后一个分片。

RSV1、RSV2、RSV3：每个 1 比特

除非协商了定义非零值含义的扩展，否则必须为 0。如果收到非零值，并且没有协商的扩展定义该非零值的含义，那么接收

端点必须使该 WebSocket 连接失败。

操作码：4 比特

定义对“有效载荷数据”的解释。如果收到未知操作码，那么接收端点必须使该 WebSocket 连接失败。定义的值如下：

%x0 表示延续帧

%x1 表示文本帧

%x2 表示二进制帧

%x3-7 为将来的非控制帧预留

%x8 表示连接关闭

%x9 表示 PING

%xA 表示 PONG

%xB-F 为将来的控制帧保留

掩码：1 比特

定义“有效载荷数据”是否被掩码处理。如果设置为 1，那么掩码键出现在 Masking-key 中，它用于解除“有效载荷数

据”的掩码。从客户端发送到服务器的所有帧都将此位设置为 1。

有效载荷长度：7 比特，7+16 比特，或 7+64 比特

“有效载荷数据”的长度，单位是字节：如果设置为 0-125，那么它是有效载荷长度。如果设置为 126，那么接下来的 2

个字节（被解释为 16 位无符号整数）是有效载荷长度。如果设置为 127，那么接下来的 8 个字节（被解释为 64 位无符号

整数，最高有效位必须为 0）是有效载荷长度。多字节长度量使用网络字节序表示。注意，在所有情况下，必须使用最小字

节数编码长度，比如，124 字节长的字符串的长度不能编码为序列 126, 0, 124。有效载荷的长度是“扩展数据”的长度 +

“应用数据”的长度。“扩展数据”的长度可能为 0，在这种情况下，有效载荷长度是“应用数据”的长度。

掩码键：0 或 4 字节

从客户端发送到服务端的所有帧必须通过包含在帧里的 32 位数值进行掩码处理。如果掩码位为 1，那么该字段存在，如果

掩码位为 0，那么该字段不存在。

有效载荷数据：(x+y) 字节

“有效载荷数据”被定义为将 “扩展数据” 与 “应用数据” 连接在一起。

扩展数据：x 字节

除非已经协商了扩展，否则“扩展数据”为 0 字节。所有扩展必须指定“扩展数据”的长度，或者如何计算该长度，并且

在开始握手期间，必须协商扩展的使用方式。如果存在，那么“扩展数据”包含在总有效载荷长度中。

应用数据：y 字节

任意“应用数据”，占用帧中“扩展数据”后面的剩余部分。“应用数据”的长度等于有效载荷长度减去“扩展数据”的长

度。

3.3 消息分片（Message Fragmentation）

FIN 和 Opcode 字段共同协作，发送被拆分成单独帧的消息。这被称为消息分片。分片仅适用于 Opcode 到的 0x0 0x2

情况。