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刨根问底HTTP和WebSocket协议(二)

时间:2019-12-01 02:47
HTTP消息

一个HTTP消息可能是request或者response消息,两种类型的消息都是由开始行(start-line),零个或多个header域,一个表示header域结束的空行(也就是,一个以CRLF为前缀的空行),一个可能为空的消息主体(message-body)。一个合格的HTTP客户端不应该在消息头或者尾添加多余的CRLF,服务端也会忽略这些字符。

header的值不包括任何前导或后续的LWS(线性空白),线性空白可能会出现在域值(filed-value)的第一个非空白字符之前或最后一个非空白字符之后。前导或后续的LWS可能会被移除而不会改变域值的语意。任何出现在filed-content之间的LWS可能会被一个SP(空格)代替。header域的顺序不重要,但建议把常用的header放在前边(协议里这么说的)。

帧类型

帧类型是由一个4位长的叫Opcode的值表示,任何WebSocket的通信方收到一个位置的帧类型,都要以连接失败的方式断开此连接。
RFC6455中定义的帧类型如下所示:

  1. Opcode == 0 继续

    表示此帧是一个继续帧,需要拼接在上一个收到的帧之后,来组成一个完整的消息。由于这种解析特性,非控制帧的发送和接收必须是相同的顺序。

  2. Opcode == 1 文本帧

  3. Opcode == 2 二进制帧

  4. Opcode == 3 - 7 未来使用(非控制帧)

  5. Opcode == 8 关闭连接(控制帧)
    此帧可能会包含内容,以表示关闭连接的原因。
    通信的某一方发送此帧来关闭WebSocket连接,收到此帧的一方如果之前没有发送此帧,则需要发送一个同样的关闭帧以确认关闭。如果双方同时发送此帧,则双方都需要发送回应的关闭帧。
    理想情况服务端在确认WebSocket连接关闭后,关闭相应的TCP连接,而客户端需要等待服务端关闭此TCP连接,但客户端在某些情况下也可以关闭TCP连接。

  6. Opcode == 9 Ping
    类似于心跳,一方收到Ping,应当立即发送Pong作为响应。

  7. Opcode == 10 Pong
    如果通信一方并没有发送Ping,但是收到了Pong,并不要求它返回任何信息。Pong帧的内容应当和收到的Ping相同。可能会出现一方收到很多的Ping,但是只需要响应最近的那一次就可以了。

  8. Opcode == 11 - 15 未来使用(控制帧)

HTTP和WebSocket

返回码

返回码是一个3位数,第一位定义的返回码的类别,总共有5个类别,它们是:

JavaScript

- 1xx: Informational - Request received, continuing process - 2xx: Success - The action was successfully received, understood, and accepted

  • 3xx: Redirection - Further action must be taken in order to complete the request - 4xx: Client Error - The request contains bad syntax or cannot be fulfilled - 5xx: Server Error - The server failed to fulfill an apparently valid request
1
2
3
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13
  - 1xx: Informational - Request received, continuing process
 
  - 2xx: Success - The action was successfully received,
    understood, and accepted
 
  - 3xx: Redirection - Further action must be taken in order to
    complete the request
 
  - 4xx: Client Error - The request contains bad syntax or cannot
    be fulfilled
 
  - 5xx: Server Error - The server failed to fulfill an apparently
    valid request

RFC2616中接着又给出了一系列返回码的扩展,这些都是我们平时会用到的,但是那些只是示例,HTTP1.1不强制通信各方遵守这些扩展的返回码,通信各方在返回码的实现上只需要遵守以上边定义的这5种类别的定义,意思就是,返回码的第一位要严格按照文档中所述的来,其他的随便定义。

任何人接收到一个不认识的返回码xyz,都可以把它当做x00来对待。对于不认识的返回码的响应消息,不可以缓存。

不同点

  1. WS使用HTTP来建立连接,但是定义了一系列新的header域,这些域在HTTP中并不会使用。
  2. WS的连接不能通过中间人来转发,它必须是一个直接连接。
  3. WS连接建立之后,通信双方都可以在任何时刻向另一方发送数据。
  4. WS连接建立之后,数据的传输使用帧来传递,不再需要Request消息。
  5. WS的数据帧有序。

WebSocket

只从RFC发布的时间看来,WebSocket要晚近很多,HTTP 1.1是1999年,WebSocket则是12年之后了。WebSocket协议的开篇就说,本协议的目的是为了解决基于浏览器的程序需要拉取资源时必须发起多个HTTP请求和长时间的轮训的问题……而创建的。

服务端发送的成功的Response握手

此握手消息是一个标准的HTTP Response消息,同时它包含了以下几个部分:

  1. 状态行(如上一篇RFC2616中所述)
  2. Upgrade头域,内容为websocket
  3. Connection头域,内容为Upgrade
  4. Sec-WebSocket-Accept头域,其内容的生成步骤:
    1. 首先将Sec-WebSocket-Key的内容加上字符串258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11(一个UUID)。
    2. 将#1中生成的字符串进行SHA1编码。
    3. 将#2中生成的字符串进行Base64编码。
  5. Sec-WebSocket-Protocol头域(可选)
  6. Sec-WebSocket-Extensions头域(可选)

一旦这个握手发出去,服务端就认为此WebSocket连接已经建立成功,处于OPEN状态。它就可以开始发送数据了。

消息体的长度

消息体长度的确定有一下几个规则,它们顺序执行:

  1. 所有不应该返回内容的Response消息都不应该带有任何的消息体,消息会在第一个空行就被认为是终止了。
  2. 如果消息头含有Transfer-Encoding,且它的值不是identity,那么消息体的长度会使用chunked方式解码来确定,直到连接终止。
  3. 如果消息头中有Content-Length,那么它就代表了entity-lengthtransfer-length。如果同时含有Transfer-Encoding,则entity-lengthtransfer-length可能不会相等,那么Content-Length会被忽略。
  4. 如果消息的媒体类型是multipart/byteranges,并且transfer-length也没有指定,那么传输长度由这个媒体自己定义。通常是收发双发定义好了格式, HTTP1.1客户端请求里如果出现Range头域并且带有多个字节范围(byte-range)指示符,这就意味着客户端能解析multipart/byteranges响应。
  5. 如果是Response消息,也可以由服务器来断开连接,作为消息体结束。

从消息体中得到实体主体,它的类型由两个header来定义,Content-TypeContent-Encoding(通常用来做压缩)。如果有实体主体,则必须有Content-Type,如果没有,接收方就需要猜测,猜不出来就是用application/octet-stream

接受了客户端的连接请求,服务端要做的一些事情

如果请求是HTTPS,则首先要使用TLS进行握手,如果失败,则关闭连接,如果成功,则之后的数据都通过此通道进行发送。

之后服务端可以进行一些客户端验证步骤(包括对客户端header域的验证),如果需要,则按照RFC2616来进行错误码的返回。

如果一切都成功,则返回成功的Response握手消息。

HTTP

HTTP的地址格式如下:

JavaScript

http_URL = "http:" "//" host [ ":" port ] [ abs_path [ "?" query ]] 协议和host不分大小写

1
2
http_URL = "http:" "//" host [ ":" port ] [ abs_path [ "?" query ]]
协议和host不分大小写

与HTTP比较

同样作为应用层的协议,WebSocket在现代的软件开发中被越来越多的实践,和HTTP有很多相似的地方,这里将它们简单的做一个纯个人、非权威的比较:

Header

RFC2616中定义了4种header类型,在通信各方都认可的情况下,请求头可以被扩展的(可信的扩展只能等到协议的版本更新),如果接收者收到了一个不认识的请求头,这个头将会被当做实体头。4种头类型如下:

  1. 通用头(General Header Fields):可用于request,也可用于response的头,但不可作为实体头,只能作为消息的头。
JavaScript

general-header = Cache-Control ; Section 14.9 | Connection ; Section
14.10 | Date ; Section 14.18 | Pragma ; Section 14.32 | Trailer ;
Section 14.40 | Transfer-Encoding ; Section 14.41 | Upgrade ;
Section 14.42 | Via ; Section 14.45 | Warning ; Section 14.46

<table>
<colgroup>
<col style="width: 50%" />
<col style="width: 50%" />
</colgroup>
<tbody>
<tr class="odd">
<td><div class="crayon-nums-content" style="font-size: 13px !important; line-height: 15px !important;">
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14ed955473721-1">
1
</div>
<div class="crayon-num crayon-striped-num" data-line="crayon-5b8f4736f14ed955473721-2">
2
</div>
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14ed955473721-3">
3
</div>
<div class="crayon-num crayon-striped-num" data-line="crayon-5b8f4736f14ed955473721-4">
4
</div>
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14ed955473721-5">
5
</div>
<div class="crayon-num crayon-striped-num" data-line="crayon-5b8f4736f14ed955473721-6">
6
</div>
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14ed955473721-7">
7
</div>
<div class="crayon-num crayon-striped-num" data-line="crayon-5b8f4736f14ed955473721-8">
8
</div>
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14ed955473721-9">
9
</div>
</div></td>
<td><div class="crayon-pre" style="font-size: 13px !important; line-height: 15px !important; -moz-tab-size:4; -o-tab-size:4; -webkit-tab-size:4; tab-size:4;">
<div id="crayon-5b8f4736f14ed955473721-1" class="crayon-line">
general-header = Cache-Control            ; Section 14.9
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14ed955473721-2" class="crayon-line crayon-striped-line">
              | Connection               ; Section 14.10
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14ed955473721-3" class="crayon-line">
              | Date                     ; Section 14.18
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14ed955473721-4" class="crayon-line crayon-striped-line">
              | Pragma                   ; Section 14.32
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14ed955473721-5" class="crayon-line">
              | Trailer                  ; Section 14.40
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14ed955473721-6" class="crayon-line crayon-striped-line">
              | Transfer-Encoding        ; Section 14.41
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14ed955473721-7" class="crayon-line">
              | Upgrade                  ; Section 14.42
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14ed955473721-8" class="crayon-line crayon-striped-line">
              | Via                      ; Section 14.45
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14ed955473721-9" class="crayon-line">
              | Warning                  ; Section 14.46
</div>
</div></td>
</tr>
</tbody>
</table>
  1. 请求头(Request Header Fields):被请求发起端用来改变请求行为的头。
JavaScript

request-header = Accept ; Section 14.1 | Accept-Charset ; Section
14.2 | Accept-Encoding ; Section 14.3 | Accept-Language ; Section
14.4 | Authorization ; Section 14.8 | Expect ; Section 14.20 | From
; Section 14.22 | Host ; Section 14.23 | If-Match ; Section 14.24 |
If-Modified-Since ; Section 14.25 | If-None-Match ; Section 14.26 |
If-Range ; Section 14.27 | If-Unmodified-Since ; Section 14.28 |
Max-Forwards ; Section 14.31 | Proxy-Authorization ; Section 14.34 |
Range ; Section 14.35 | Referer ; Section 14.36 | TE ; Section 14.39
| User-Agent ; Section 14.43

<table>
<colgroup>
<col style="width: 50%" />
<col style="width: 50%" />
</colgroup>
<tbody>
<tr class="odd">
<td><div class="crayon-nums-content" style="font-size: 13px !important; line-height: 15px !important;">
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-1">
1
</div>
<div class="crayon-num crayon-striped-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-2">
2
</div>
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-3">
3
</div>
<div class="crayon-num crayon-striped-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-4">
4
</div>
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-5">
5
</div>
<div class="crayon-num crayon-striped-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-6">
6
</div>
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-7">
7
</div>
<div class="crayon-num crayon-striped-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-8">
8
</div>
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-9">
9
</div>
<div class="crayon-num crayon-striped-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-10">
10
</div>
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-11">
11
</div>
<div class="crayon-num crayon-striped-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-12">
12
</div>
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-13">
13
</div>
<div class="crayon-num crayon-striped-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-14">
14
</div>
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-15">
15
</div>
<div class="crayon-num crayon-striped-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-16">
16
</div>
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-17">
17
</div>
<div class="crayon-num crayon-striped-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-18">
18
</div>
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f0425423013-19">
19
</div>
</div></td>
<td><div class="crayon-pre" style="font-size: 13px !important; line-height: 15px !important; -moz-tab-size:4; -o-tab-size:4; -webkit-tab-size:4; tab-size:4;">
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-1" class="crayon-line">
request-header = Accept                   ; Section 14.1
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-2" class="crayon-line crayon-striped-line">
               | Accept-Charset           ; Section 14.2
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-3" class="crayon-line">
               | Accept-Encoding          ; Section 14.3
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-4" class="crayon-line crayon-striped-line">
               | Accept-Language          ; Section 14.4
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-5" class="crayon-line">
               | Authorization            ; Section 14.8
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-6" class="crayon-line crayon-striped-line">
               | Expect                   ; Section 14.20
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-7" class="crayon-line">
               | From                     ; Section 14.22
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-8" class="crayon-line crayon-striped-line">
               | Host                     ; Section 14.23
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-9" class="crayon-line">
               | If-Match                 ; Section 14.24
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-10" class="crayon-line crayon-striped-line">
               | If-Modified-Since        ; Section 14.25
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-11" class="crayon-line">
               | If-None-Match            ; Section 14.26
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-12" class="crayon-line crayon-striped-line">
               | If-Range                 ; Section 14.27
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-13" class="crayon-line">
               | If-Unmodified-Since      ; Section 14.28
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-14" class="crayon-line crayon-striped-line">
               | Max-Forwards             ; Section 14.31
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-15" class="crayon-line">
               | Proxy-Authorization      ; Section 14.34
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-16" class="crayon-line crayon-striped-line">
               | Range                    ; Section 14.35
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-17" class="crayon-line">
               | Referer                  ; Section 14.36
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-18" class="crayon-line crayon-striped-line">
               | TE                       ; Section 14.39
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f0425423013-19" class="crayon-line">
               | User-Agent               ; Section 14.43
</div>
</div></td>
</tr>
</tbody>
</table>
  1. 响应头(Response Header Fields):被服务器用来对资源进行进一步的说明。
JavaScript

response-header = Accept-Ranges ; Section 14.5 | Age ; Section 14.6
| ETag ; Section 14.19 | Location ; Section 14.30 |
Proxy-Authenticate ; Section 14.33 | Retry-After ; Section 14.37 |
Server ; Section 14.38 | Vary ; Section 14.44 | WWW-Authenticate ;
Section 14.47

<table>
<colgroup>
<col style="width: 50%" />
<col style="width: 50%" />
</colgroup>
<tbody>
<tr class="odd">
<td><div class="crayon-nums-content" style="font-size: 13px !important; line-height: 15px !important;">
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f4393113224-1">
1
</div>
<div class="crayon-num crayon-striped-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f4393113224-2">
2
</div>
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f4393113224-3">
3
</div>
<div class="crayon-num crayon-striped-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f4393113224-4">
4
</div>
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f4393113224-5">
5
</div>
<div class="crayon-num crayon-striped-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f4393113224-6">
6
</div>
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f4393113224-7">
7
</div>
<div class="crayon-num crayon-striped-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f4393113224-8">
8
</div>
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f4393113224-9">
9
</div>
</div></td>
<td><div class="crayon-pre" style="font-size: 13px !important; line-height: 15px !important; -moz-tab-size:4; -o-tab-size:4; -webkit-tab-size:4; tab-size:4;">
<div id="crayon-5b8f4736f14f4393113224-1" class="crayon-line">
response-header = Accept-Ranges           ; Section 14.5
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f4393113224-2" class="crayon-line crayon-striped-line">
                | Age                     ; Section 14.6
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f4393113224-3" class="crayon-line">
                | ETag                    ; Section 14.19
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f4393113224-4" class="crayon-line crayon-striped-line">
                | Location                ; Section 14.30
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f4393113224-5" class="crayon-line">
                | Proxy-Authenticate      ; Section 14.33
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f4393113224-6" class="crayon-line crayon-striped-line">
                | Retry-After             ; Section 14.37
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f4393113224-7" class="crayon-line">
                | Server                  ; Section 14.38
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f4393113224-8" class="crayon-line crayon-striped-line">
                | Vary                    ; Section 14.44
</div>
<div id="crayon-5b8f4736f14f4393113224-9" class="crayon-line">
                | WWW-Authenticate        ; Section 14.47
</div>
</div></td>
</tr>
</tbody>
</table>
  1. 实体头(Entity Header Fields):如果消息带有消息体,实体头用来作为元信息;如果没有消息体,就是为了描述请求的资源的信息。
JavaScript

entity-header = Allow ; Section 14.7 | Content-Encoding ; Section
14.11 | Content-Language ; Section 14.12 | Content-Length ; Section
14.13 | Content-Location ; Section 14.14 | Content-MD5 ; Section
14.15 | Content-Range ; Section 14.16 | Content-Type ; Section 14.17
| Expires ; Section 14.21 | Last-Modified ; Section 14.29 |
extension-header

<table>
<colgroup>
<col style="width: 50%" />
<col style="width: 50%" />
</colgroup>
<tbody>
<tr class="odd">
<td><div class="crayon-nums-content" style="font-size: 13px !important; line-height: 15px !important;">
<div class="crayon-num" data-line="crayon-5b8f4736f14f7627741631-1">
1
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WebSocket

WebSocket协议还很年轻,RFC文档相比HTTP的发布时间也很短,它的诞生是为了创建一种「双向通信」的协议,来作为HTTP协议的一个替代者。那么首先看一下它和HTTP(或者HTTP的长连接)的区别。

HTTP连接

HTTP1.1的连接默认使用持续连接(persistent connection),持续连接指的是,有时是客户端会需要在短时间内向服务端请求大量的相关的资源,如果不是持续连接,那么每个资源都要建立一个新的连接,HTTP底层使用的是TCP,那么每次都要使用三次握手建立TCP连接,将造成极大的资源浪费。

持续连接可以带来很多的好处:

  1. 使用更少的TCP连接,对通信各方的压力更小。
  2. 可以使用管道(pipeline)来传输信息,这样请求方不需要等待结果就可以发送下一条信息,对于单个的TCP的使用更充分。
  3. 流量更小
  4. 顺序请求的延时更小。
  5. 不需要重新建立TCP连接就可以传送error,关闭连接等信息。

HTTP1.1的服务器使用TCP的流量控制来控制HTTP的流量,HTTP1.1的客户端在收到服务器连接中发过来的error信息,就要马上关闭此链接。关于HTTP连接还有很多细节,之后再详述。

协议基础

WebSocket的目的是取代HTTP在双向通信场景下的使用,而且它的实现方式有些也是基于HTTP的(WS的默认端口是80443)。现有的网络环境(客户端、服务器、网络中间人、代理等)对HTTP都有很好的支持,所以这样做可以充分利用现有的HTTP的基础设施,有点向下兼容的意味。

简单来讲,WS协议有两部分组成:握手和数据传输。

待续

本来是打算在一篇文章里把HTTP和WebSocket两个协议的大致细节理出来,然后进行对比。可是写着写着就发现篇幅可能会比较长,读起来就不那么友好了,那么刚好就再写第二篇吧。第二篇里会将WebSocket的大致情况描述一下,然后和HTTP适用的场景进行对比。

 

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