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C++实现WebSocket简单服务器

2023-11-08

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WebSocket简介

WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议。WebSocket使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。在WebSocket API中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。

WebSocket 与 HTTP/2 一样，其实都是为了解决 HTTP/1.1 的一些缺陷而诞生的，而 WebSocket 针对的就是「请求-应答」这种"半双工"的模式的通信缺陷。

「请求-应答」是"半双工"的通信模式，数据的传输必须经过一次请求应答，这个完整的通信过程，通信的同一时刻数据只能在一个方向上传递。它最大的问题在于，HTTP 是一种被动的通信模式，服务端必须等待客户端请求才可以返回数据，无法主动向客户端发送数据。

这也导致在 WebSocket 出现之前，一些对实时性有要求的服务，通常是基于轮询（Polling）这种简单的模式来实现。轮询就是由客户端定时发起请求，如果服务端有需要传递的数据，可以借助这个请求去响应数据。轮询的缺点也非常明显，大量空闲的时间，其实是在反复发送无效的请求，这显然是一种资源的损耗。

创建WebSocket服务器的一般步骤

  1. 创建一个服务器监听
  2. 开始接收数据，此时开始接收的数据主要是客户端发出的协议握手报文，报文内容大概如下：

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

其中

  • | Sec-WebSocket-Key |, 必传, 由客户端随机生成的 16 字节值, 然后做 base64 编码, 客户端需要保证该值是足够随机, 不可被预测的 (换句话说, 客户端应使用熵足够大的随机数发生器), 在 WebSocket 协议中, 该头部字段必传, 若客户端发起握手时缺失该字段, 则无法完成握手
  • | Sec-WebSocket-Version |, 必传, 指示 WebSocket 协议的版本, RFC 6455 的协议版本为 13, 在 RFC 6455 的 Draft 阶段已经有针对相应的 WebSocket 实现, 它们当时使用更低的版本号, 若客户端同时支持多个 WebSocket 协议版本, 可以在该字段中以逗号分隔传递支持的版本列表 (按期望使用的程序降序排列), 服务端可从中选取一个支持的协议版本
  • | Sec-WebSocket-Protocol |, 可选, 客户端发起握手的时候可以在头部设置该字段, 该字段的值是一系列客户端希望在于服务端交互时使用的子协议 (subprotocol), 多个子协议之间用逗号分隔, 按客户端期望的顺序降序排列, 服务端可以根据客户端提供的子协议列表选择一个或多个子协议
  • | Sec-WebSocket-Extensions |, 可选, 客户端在 WebSocket 握手阶段可以在头部设置该字段指示自己希望使用的 WebSocket 协议拓展
  1. 根据接收到的数据（就是上面的报文），可以先判断一下是不是握手协议（这里可以直接判断一下recv从缓冲区读到的数据是否包含“GET”），对这个报文进行解析，获取其中的Sec-WebSocket-Key(也就是这里的dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==)。然后服务端要对这个key（包含24个字符）进行解析，解析完成后会得到一个密码，如果服务器发给客户端的报文密码一致的话，此时就完成了协议握手，然后现在就已经成功创建了一个基于webosket协议的连接了。
    当握手成功后传入的报文信息如下：

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

  • | Sec-WebSocket-Accept |, 必传, 客户端发起握手时通过 | Sec-WebSocket-Key | 字段传递了一个将随机生成的 16 字节做 base64 编码后的字符串, 服务端若接收握手, 则应将该值与 WebSocket 魔数 (Magic Number) “258EAFA5-E914-47DA- 95CA-C5AB0DC85B11” 进行字符串连接, 将得到的字符串做 SHA-1 哈希, 将得到的哈希值再做 base64 编码, 最终的值便是该字段的值, 举例来说, 假设客户端传递的 Sec-WebSocket-Key 为 “dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==”, 服务端应首先将该字符串与 WebSocket 魔数进行字符串拼接, 得到 “dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==258EAFA5-E914-47DA-95CA- C5AB0DC85B11”, 然后对该字符串做 SHA-1 哈希运算得到哈希值 0xb3 0x7a 0x4f 0x2c 0xc0 0x62 0x4f 0x16 0x90 0xf6 0x46 0x06 0xcf 0x38 0x59 0x45 0xb2 0xbe 0xc4 0xea, 然后对该哈希值做 base64 编码, 最终得到 Sec-WebSocket-Accept 的值为 s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=, 当客户端收到服务端的握手响应后, 会做同样的运算来校验该值是否符合预期, 以便于判断服务端是否真的支持 WebSocket 协议, 设置这个环节的目的就是为了最终校验服务端对 WebSocket 协议的支持性, 因为单纯使用 Upgrade 机制, 对于一些没有正确实现 HTTP Upgrade 机制的 Web Server, 可能也会返回预期的 Upgrade, 但实际上它并不支持 WebSocket, 而引入 WebSocket 魔数并进行这一系列操作后可以很大程度上确定服务端确实支持 WebSocket 协议
  1. 最后，如果握手完成，服务端和客户端之间就可以传输数据了。此时传入的数据就是用WebSocket协议封装好的数据。

WebSocket协议解析

下面就来讲下WebSocket协议，协议格式如下：
在这里插入图片描述

第一个字节：

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c

WebSocket

服务器

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