基于事件驱动的websocket简单实现

websocket的实现

什么是websocket？

WebSocket 是一种网络通讯协议，旨在为客户端和服务器之间提供全双工、实时的通讯通道。它是在 HTML5 规范中引入的，可以让浏览器与服务器进行持久化毗连，以便实现低延迟的数据交换。
WebSocket 的特点：

• 全双工通讯：客户端和服务器可以同时发送和接收消息，而不必等候对方完成操作。
  
• 轻量级：相较于传统的 HTTP 协议，WebSocket 头部信息更小，这淘汰了网络开销。
  
• 持久毗连：一旦创建毗连，双方可以一直保持这个毗连，直到主动关闭。如许克制了频繁创建和关闭毗连带来的性能消耗。
  
• 实时性：适合需要即时数据更新的应用，如在线谈天、游戏、股票行情等
  

通讯过程

websocket通讯协议是基于http的，客户端首先发送毗连请求request，在该request中包含了基本的HTTP头信息：

1. GET /chat HTTP/1.1
2. Host: server.example.com
3. Upgrade: websocket
4. Connection: Upgrade
5. Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==
6. Sec-WebSocket-Version: 13

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以上这些信息以字符串的形式发送至服务端的rbuffer里，当服务端识别到这些字符串信息后，需要发送相应response进行确认后才能创建websocket毗连。确认信息的response应该如下：
接收到客户端的key->
key与“258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”进行拼接，得到新的key-->
使用SHA1算法加密-->
再使用base64加密-->
加上http头信息，以字符串形式的发送至客户端。当客户端收到后，websocket创建。

1. int response_websock(struct conn *c){
2.         char* key_head = "Sec-WebSocket-Key";
3.         char* start = strstr(c->rbuffer, key_head);
4.         start += 19;
6.         char key[1024] = {0};
7.         int set = 0;
8.         while (*start != '='){
9.             key[set] = *start;
10.             start++;
11.             set++;
12.         }
13.         key[set] = '\0';
14.         char* result = strcat(key, GUID);
16.         unsigned char hash[SHA_DIGEST_LENGTH] = {0};
17.         SHA1((unsigned char*)result, strlen(result), hash);
19.         char* base = base64_encode(hash, SHA_DIGEST_LENGTH);
21.         //strcpy(c->wbuffer, base) ;
22.         snprintf(c->wbuffer, sizeof(c->wbuffer), "HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n"
23.                                                  "Upgrade: websocket\r\n"
24.                                                  "Connection: Upgrade\r\n"
25.                                                  "Sec-WebSocket-Accept: %s\r\n\r\n", base);
26.         c->wlength = strlen(c->wbuffer);
27.         free(base);
28. }

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创建websocket毗连后，可以互发信息，但是信息是以websocket帧，字节流的形式传送的，所以需要进行编码和解码。
websocket帧结构如下：

发送信息（编码）：

1. int encoding(struct conn *c){
2.         //写入rbuffer
3.         int message_len = strlen(payload);
4.         int frame_len = 0;
6.         // 设置 FIN 位和 Opcode（文本帧）
7.         c->wbuffer[0] = 0x81; // FIN=1, Opcode=0x1（文本帧）
9.         // 设置 Payload Length
10.         if (message_len <= 125) {
11.             c->wbuffer[1] = message_len; // 不需要额外长度字段
12.             memcpy(&c->wbuffer[2], payload, message_len);
13.             frame_len = 2 + message_len;
14.         }
15.         else if(message_len <= 65535){
16.             c->wbuffer[1] = 126; // 16 位扩展长度
17.             c->wbuffer[2] = (message_len >> 8) & 0xFF; // 高字节
18.             c->wbuffer[3] = message_len & 0xFF;        // 低字节
19.             memcpy(&c->wbuffer[4], payload, message_len);
20.             frame_len = 4 + message_len;  
21.         }
22.         else{
23.             c->wbuffer[1] = 127; // 64 位扩展长度
24.             // 这里假设消息长度小于 2^32，因此高 4 字节为 0
25.             memset(&c->wbuffer[2], 0, 4);
26.             c->wbuffer[6] = (message_len >> 24) & 0xFF;
27.             c->wbuffer[7] = (message_len >> 16) & 0xFF;
28.             c->wbuffer[8] = (message_len >> 8) & 0xFF;
29.             c->wbuffer[9] = message_len & 0xFF;
30.             memcpy(&c->wbuffer[10], payload, message_len);
31.             frame_len = 10 + message_len;
32.         }
33. }

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接收信息（解码):

1. int encoding(struct conn *c){
2.         int fin = (c->rbuffer[0] & 0X80) >> 7;
3.         int opcode = c->rbuffer[0] & 0x0F;              // 操作码
4.         int masked = (c->rbuffer[1] & 0x80) >> 7;       // 是否有掩码
5.         int payload_len = c->rbuffer[1] & 0x7F;
7.         unsigned char *mask = NULL;                 // 掩码键
8.         unsigned char *payload = NULL;              // 数据指针
9.         if (payload_len <= 125) {
10.             mask = &c->rbuffer[2];
11.             payload = &c->rbuffer[6];
12.         } else if (payload_len == 126) {
13.             payload_len = ntohs(*(uint16_t *)&c->rbuffer[2]);
14.             mask = &c->rbuffer[4];
15.             payload = &c->rbuffer[8];
16.         } else if (payload_len == 127) {
17.             payload_len = ntohl(*(uint64_t *)&c->rbuffer[2]);
18.             mask = &c->rbuffer[10];
19.             payload = &c->rbuffer[14];
20.         }
22.         for (int i = 0; i < payload_len; i++) {  //解析数据（去除掩码）
23.             payload[i] ^= mask[i % 4];
24.         }
26.         // 输出解码后的消息
27.         payload[payload_len] = '\0';
28.         printf("Message from client: %s\n", payload);
29. }

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流程总结

由于在创建毗连阶段和通讯阶段发送的数据形式不同，所以需要在结构体中引入状态机，用于记录是哪种请求，根据不同的状态机，做出不同的response。

1. int ws_request(struct conn *c){
2.     //判断建立请求连接还是数据帧
3.     if (strstr(c->rbuffer, "Sec-WebSocket-Key") != NULL) {
4.         printf("HTTP handshake request detected.\n");
5.         printf("request: %s", c->rbuffer);
6.         c->wlength = 0;
7.         c->status = 0;
8.     }
9.     else {
10.         printf("WebSocket frame detected.\n");
11.         c->wlength = 0;
12.         c->status = 1;
13.     }
14.     return 0;
15. }

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客户端发送request -> 服务端读取数据，判定是请求毗连还是发送websocket帧 ->根据不同status做出相应反应

1. int ws_response(struct conn *c){
2.     //返回建立连接
3.     if(c->status == 0){
4.         response_websock(xxx);
5.     }
6.     else if (c->status == 1){
7.         //解码
8.         encoding(xxx);
9.         
10.         //编码
11.         decoding(xxx);
13.     }
14.     return c->wlength;
15. }

复制代码

整体流程如下：
conn_list数组相当于一个用户和内核的中介，用来存放内核创建的毗连以及用于拷贝内核接收到的数据。在websocket时，还额外引入了status的状态。
这个图可以清楚的显示出reactor的优点，即将业务和网络io管理分开。websocket用来实现业务，reactor用来实现网络io的管理。

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