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服务端使用c++实现websocket协议解析及通信

来源: 网络整理  作者: 佚名


WebSocket 设计出来的目的就是要使客户端浏览器具备像 C/S 架构下桌面系统的实时通讯能力。 浏览器通过 JavaScript 向服务器发出建立 WebSocket 连接的请求,连接建立以后,客户端和服务器端就可以通过 TCP 连接直接交换数据。因为 WebSocket 连接本质上就是一个 TCP 连接,所以在数据传输的稳定性和数据传输量的大小方面,和轮询以及 Comet 技术比较,具有很大的性能优势。下面是一个简单 Web 应用分别用轮询方式和 WebSocket 方式来实现,下面是测试结果图:


通过这张图可以清楚的看出,在流量和负载增大的情况下,WebSocket 方案相比传统的 Ajax 轮询方案有极大的性能优势。

好了不过多介绍WebSocket了,更多介绍大家可以点击参考资料引用的链接查看,还是回到解析协议及通信上来。解析协议这种事,就得耐着性子,一个字节一个字节解析,按步骤一点一点写程序。不过读懂了文档,知道了每个字节的属性意义后,解析起来还是挺简单的。按照协议说明,一旦完成数据解码,那么编码就稍微容易一些,差不多就是解码的逆向操作了。服务端使用c++完成WebSocket通信,主要需要完成以下三方面编程:

1.服务端与h5客户端发起的WebSocket连接握手:


int wsHandshake(string &request, string &response)

{

// 解析http请求头信息

int ret = WS_STATUS_UNCONNECT;

std::istringstream stream(request.c_str());

std::string reqType;

std::getline(stream, reqType);

if (reqType.substr(0, 4) != "GET ")

{

return ret;

}

std::string header;

std::string::size_type pos = 0;

std::string websocketKey;

while (std::getline(stream, header) && header != "\r")

{

header.erase(header.end() - 1);

pos = header.find(": ", 0);

if (pos != std::string::npos)

{

std::string key = header.substr(0, pos);

std::string value = header.substr(pos + 2);

if (key == "Sec-WebSocket-Key")

{

ret = WS_STATUS_CONNECT;

websocketKey = value;

break;

}

}

}

if (ret != WS_STATUS_CONNECT)

{

return ret;

}

// 填充http响应头信息

response = "HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n";

response += "Upgrade: websocket\r\n";

response += "Connection: upgrade\r\n";

response += "Sec-WebSocket-Accept: ";

const std::string magicKey("258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11");

std::string serverKey = websocketKey + magicKey;

char shaHash[32];

memset(shaHash, 0, sizeof(shaHash));

sha1::calc(serverKey.c_str(), serverKey.size(), (unsigned char *) shaHash);

serverKey = base64::base64_encode(std::string(shaHash)) + "\r\n\r\n";

string strtmp(serverKey.c_str());

response += strtmp;

return ret;

}
2.完成握手后连接就建立了。然后就是接收h5客户端通过WebSocket发过来的数据帧并解码:


int wsDecodeFrame(string inFrame, string &outMessage)

{

int ret = WS_OPENING_FRAME;

const char *frameData = inFrame.c_str();

const int frameLength = inFrame.size();

if (frameLength < 2)

{

ret = WS_ERROR_FRAME;

}

// 检查扩展位并忽略

if ((frameData[0] & 0x70) != 0x0)

{

ret = WS_ERROR_FRAME;

}

// fin位: 为1表示已接收完整报文, 为0表示继续监听后续报文

ret = (frameData[0] & 0x80);

if ((frameData[0] & 0x80) != 0x80)

{

ret = WS_ERROR_FRAME;

}

// mask位, 为1表示数据被加密

if ((frameData[1] & 0x80) != 0x80)

{

ret = WS_ERROR_FRAME;

}

// 操作码

uint16_t payloadLength = 0;

uint8_t payloadFieldExtraBytes = 0;

uint8_t opcode = static_cast(frameData[0] & 0x0f);

if (opcode == WS_TEXT_FRAME)

{

// 处理utf-8编码的文本帧

payloadLength = static_cast(frameData[1] & 0x7f);

if (payloadLength == 0x7e)

{

uint16_t payloadLength16b = 0;

payloadFieldExtraBytes = 2;

memcpy(&payloadLength16b, &frameData[2], payloadFieldExtraBytes);

payloadLength = ntohs(payloadLength16b);

}

else if (payloadLength == 0x7f)

{

// 数据过长,暂不支持

ret = WS_ERROR_FRAME;

}

}

else if (opcode == WS_BINARY_FRAME || opcode == WS_PING_FRAME || opcode == WS_PONG_FRAME)

{

// 二进制/ping/pong帧暂不处理

}

else if (opcode == WS_CLOSING_FRAME)

{

ret = WS_CLOSING_FRAME;

}

else

{

ret = WS_ERROR_FRAME;

}

// 数据解码

if ((ret != WS_ERROR_FRAME) && (payloadLength > 0))

{

// header: 2字节, masking key: 4字节

const char *maskingKey = &frameData[2 + payloadFieldExtraBytes];

char *payloadData = new char[payloadLength + 1];

memset(payloadData, 0, payloadLength + 1);

memcpy(payloadData, &frameData[2 + payloadFieldExtraBytes + 4], payloadLength);

for (int i = 0; i < payloadLength; i++)

{

payloadData[i] = payloadData[i] ^ maskingKey[i % 4];

}

outMessage = payloadData;

delete[] payloadData;

}

return ret;

}
3.解码完数据帧,服务端做出相应处理后将结果按照WebSocket协议编码,然后发给h5客户端:


int wsEncodeFrame(string inMessage, string &outFrame, enum WS_FrameType frameType)

{

int ret = WS_EMPTY_FRAME;

const uint32_t messageLength = inMessage.size();

if (messageLength > 32767)

{

// 暂不支持这么长的数据

return WS_ERROR_FRAME;

}

uint8_t payloadFieldExtraBytes = (messageLength <= 0x7d) ? 0 : 2;

// header: 2字节, mask位设置为0(不加密), 则后面的masking key无须填写, 省略4字节

uint8_t frameHeaderSize = 2 + payloadFieldExtraBytes;

uint8_t *frameHeader = new uint8_t[frameHeaderSize];

memset(frameHeader, 0, frameHeaderSize);

// fin位为1, 扩展位为0, 操作位为frameType

frameHeader[0] = static_cast(0x80 | frameType);

// 填充数据长度

if (messageLength <= 0x7d)

{

frameHeader[1] = static_cast(messageLength);

}

else

{

frameHeader[1] = 0x7e;

uint16_t len = htons(messageLength);

memcpy(&frameHeader[2], &len, payloadFieldExtraBytes);

}

// 填充数据

uint32_t frameSize = frameHeaderSize + messageLength;

char *frame = new char[frameSize + 1];

memcpy(frame, frameHeader, frameHeaderSize);

memcpy(frame + frameHeaderSize, inMessage.c_str(), messageLength);

frame[frameSize] = '\0';

outFrame = frame;

delete[] frame;

delete[] frameHeader;

return ret;

}
4.握手只需一次,随后反复执行第2步及第3步,就完成了服务端与h5客户端通信。这个只是c++版本的,可以很容易改成java版本的。下面是上述方法用到的一些枚举:


enum WS_Status

{

WS_STATUS_CONNECT = 0,

WS_STATUS_UNCONNECT = 1,

};

enum WS_FrameType

{

WS_EMPTY_FRAME = 0xF0,

WS_ERROR_FRAME = 0xF1,

WS_TEXT_FRAME = 0x01,

WS_BINARY_FRAME = 0x02,

WS_PING_FRAME = 0x09,

WS_PONG_FRAME = 0x0A,

WS_OPENING_FRAME = 0xF3,

WS_CLOSING_FRAME = 0x08

};

Tags:c++
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