WebSocket Go

最近工作需要，对 WebSocket 进行了一点研究，今天在这里给大家分享一下我对 WebSocket 协议、WebSocket 的 Go 语言实现，以及 socket.io 服务端库的 Go 语言实现的理解。

WebSocket 简介

WebSocket 旨在实现 Web 应用（例如 IM、游戏等）里和 Server 的双向通信（两端称为 peer），以替代 HTTP 轮询等方案。

WebSocket 协议包括两部分：握手，数据传输。它基于 TCP 的字节流传输机制，提供了 frame 的传输机制。

WebSocket 是基于 TCP 的协议，它和 HTTP 的关系仅仅是其握手可以被 HTTP 服务器理解为 Upgrade 请求。

建立连接的握手

握手的请求与响应和 HTTP 1.1 格式相同，这是为了让 HTTP 协议的服务器程序和 WebSocket 协议的服务器程序可以挂在同一个 Web 服务器后面。

客户端请求：

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

服务端响应：

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

客户端握手请求实际上是一个 HTTP Upgrade 请求。Upgrade 和 Connection 字段表明这是 WebSocket Upgrade 请求和响应。

Sec-WebSocket-Key 是客户端随机提供的字符串的 base64 编码结果，服务端收到后，将（编码结果）值与一个特殊的 GUID 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 拼接，然后求拼接结果字符串的 SHA-1，最后将 SHA-1 二进制结果做 base64 编码，作为 Sec-WebSocket-Accept 字段返回。客户端会对其进行校验。

101 状态码表明服务器接受了 Upgrade，其他状态码都表明 Upgrade 失败。

客户端提供的 Sec-WebSocket-Protocol 字段表明了客户端支持的一系列子协议，服务端可以选择其中一个返回。

关闭连接的握手

任一端都可以发送一个「开始关闭」的控制帧，另一端收到后，如果未发送过「关闭」帧则发送之，发起端收到后，就可以关闭连接了。

peer 发送了「开始关闭」帧后，就不再发送数据，peer 收到「开始关闭」帧后，会丢弃之后收到的数据。

这个关闭连接的握手，是对 TCP 四次握手的补充。

数据传输

握手成功后，数据被封装为 message 在连接内传输。message 由 frame 构成，这两个概念和底层协议的封包没有关系。

frame 结构：

我们可以看到，WebSocket 的 frame 采取的是 header + payload 的结构，header 里有 length 字段以分隔 frame。

客户端发送的数据必须应用掩码，服务端发送的数据一定不能应用掩码。

WebSocket Go 源码导读

接下来我们分析一下 gorilla/websocket 这个 Go 语言的 WebSocket 协议实现的源码。

建立连接

客户端建立连接的接口为 client.go Dialer.Dial：

c, _, err := websocket.DefaultDialer.Dial("ws://localhost:8080/echo", nil)

• 准备 http.Request 对象，用来发起握手请求；
• 默认使用 net.Dialer Dialer.Dial 函数建立 TCP 连接；
• 连接建立成功后，取得了 net.Conn 对象，于是调用 conn.go newConn 创建 WebSocket 的核心类 websocket.Conn 对象；
• 创建完对象之后，把握手请求数据写入之，并读取响应，检查握手是否成功；
• 如果一切顺利，就把 websocket.Conn 对象返回，之后 ws client 就能 ReadMessage 和 WriteMessage 了；

服务端接受客户端连接的接口为 server.go Upgrader.Upgrade：

func echo(w http.ResponseWriter, r*http.Request) {
    c, err := upgrader.Upgrade(w, r, nil)
}

http.HandleFunc("/echo", echo)
http.ListenAndServe("localhost:8080", nil)

• 通常这个接口都由 HTTP handler 调用，传入 w http.ResponseWriter, r *http.Request 和 responseHeader http.Header；
• 检查请求的 header，确保是握手请求；
• 把 w 强转为 http.Hijacker，进而调用 Hijacker.Hijack 得到 net.Conn 对象，这是 Go http 模块的一套机制，使得 HTTP handler 可以接管网络连接，之后 http 模块不会对连接做任何操作，这正是 WebSocket 需要的；
• 拿到了 net.Conn 之后，调用 conn.go newConnBRW 创建 WebSocket 的核心类 websocket.Conn 对象，并把握手响应返回给客户端；
• 如果一切顺利，就把 websocket.Conn 对象返回，之后 ws server 就能 ReadMessage 和 WriteMessage 了；

值得一提的是，WebSocket 库并未提供监听客户端请求的功能，不过这件事利用 Go 的 http 模块即可完成，拿到 http.ResponseWriter 和 http.Request 即可。

最后，conn.go newConn 内部是调用 conn.go newConnBRW 实现的，只是 isServer 字段取值不同。

读数据

读数据的接口是 conn.go Conn.ReadMessage：

mt, message, err := c.ReadMessage()

• ReadMessage 是一个辅助接口，其内部调用 NextReader，并从中读出一个 frame；
• NextReader 内部则是循环调用 advanceFrame 取得下一个 frame（可能阻塞），如果取到了，就构造一个 messageReader 对象并返回，如果支持压缩，就包一层解压；
• advanceFrame 会读取 frame header，如果是 text 或 binary frame，就返回 frame type，等待之后的 Read 调用消费 payload；如果是 control frame，就读取 payload 并处理；frame header 里有长度字段，所以接收端知道应该读取多少数据；
• 无论是 advanceFrame 里的读操作，还是 NextReader 返回之后的读操作，最终都是调用的 conn_read.go Conn.read 读取数据，而其中都是从 Conn 的 bufio.Reader 成员读取数据；
• Conn 的 bufio.Reader 成员的赋值，在 server 端是由 Hijacker.Hijack 返回（创建自 net.Conn 对象）并传入 newConnBRW 函数；在 client 端是在 newConnBRW 里创建自 net.Conn 对象；总之，就是从 net.Conn 对象读取数据；

写数据

写数据的接口是 conn.go Conn.WriteMessage：

err := c.WriteMessage(websocket.TextMessage, []byte("hello"))

• WriteMessage 也是一个辅助接口，其内部调用 NextWriter，并把数据写入；
• 不过对于 server 来说，有一个优化：如果不需要压缩，那就直接创建 messageWriter 对象，并把数据写入；
• NextWriter 内部其实也就是创建一个 messageWriter 对象并返回，如果支持压缩，就包一层压缩；
• 数据写入主要分为两步：把数据拷贝到 writeBuf 中；调用 messageWriter.flushFrame 把 writeBuf 里的数据写到网络；发送端会把数据长度写入 frame header，以便接收端读取；
• flushFrame 实际调用 Conn.write，最终把数据写到 net.Conn 对象里；

socket.io 是一个更上层的长连接开源库，它在客户端和服务端都提供了异步事件接口，使用起来更加简单。它同时支持 WebSocket 模式和 HTTP 轮询模式，这两套传输层封装在 engine.io 里。所以 socket.io 使用 engine.io，后者又使用了 WebSocket 和 HTTP 轮询。

接下来我们就分析一下 engine.io 和 socket.io 的源码。

engine.io Go 源码导读

engine.io 的使用主要分为三步：

• 创建 server，添加到 HTTP handler 中，开始监听请求；
• 新起 goroutine，接受连接；
• 新起 goroutine，使用连接读写数据；

监听请求

engine.io 监听请求的方式和 WebSocket 类似：

server, err := engineio.NewServer(nil)
http.Handle("/engine.io/", server)
http.ListenAndServe(":5000", nil)

收到 HTTP 请求后，Go http 模块会调用 server.go Server.ServeHTTP 函数，处理请求。

• ServeHTTP 首先会获取客户端请求里的 sid 参数，用来标识客户端，对于 WebSocket 来说，它的作用不大，但在 HTTP 轮询时，如何把多次请求对应到同一个客户端？靠的就是这个 sid；
• 首次请求时，客户端不会带着 sid，sid 是由 server 分配的，此外 server 还会检查当前连接数量，目前最多允许 1000 并发连接；
• 如果请求可以处理，就创建 server_conn.go serverConn 对象，并存入 sid -> serverConn 的 map 里，以便之后客户端的请求可以被同一个 serverConn 对象处理；这个场景只在 HTTP 轮询模式下存在，由 serverConn.ServeHTTP 函数处理之后的请求，这些请求最终是在 polling/server.go Polling.ServeHTTP 函数中处理；
• 初次请求的情况，创建完 Conn 对象之后，会把它写到 socketChan 里；

接受连接

接受连接的接口是 server.go Server.Accept：

conn, _ := server.Accept()

它其实就是从 socketChan 里读数据，还没有请求时这个调用会阻塞，客户端初次请求时就会读到创建的 Conn 对象。

读写数据

读写数据的接口是 serverConn 的 NextReader 和 NextWriter，它们返回的 reader 和 writer 其实是对 WebSocket 库的 NextReader 和 NextWriter 返回结果的包装。

但读数据中间还有一条 channel：

• serverConn.NextReader 是从 readerChan 里读出 reader；
• 往 readerChan 里写入 reader 是在 serverConn.OnPacket 接口里；
• OnPacket 则分别由 engineio.websocket.Server.serveHTTP 函数和 engineio.polling.Polling.post 调用，即 WebSocket 和 Polling 读到数据之后，通知收到数据；

写数据则直接一些，serverConn.NextWriter 调用 engineio.transport.Server.NextWriter 取得 writer，最终则是调用 websocket.Conn.NextWriter 或者 Polling 的 writer 对象。

socket.io Go 源码导读

socket.io 的使用主要分为五步：

• 创建 server，添加到 HTTP handler 中，开始监听请求；
• 监听 server 的事件，例如 connection, disconnection, error 等；
• connection 事件会传入 socketio.Socket 对象，进而我们可以让 socket 加入房间；
• 加入房间后，我们就可以监听 socket 的事件了，例如 disconnection，以及自定义事件名称；
• 我们还可以用 socket.Emit 发送消息（发往这个 socket 对应的客户端），也可以用 socket.BroadcastTo 在房间里广播；

监听请求

socket.io 监听请求的方式则和 engine.io 完全一样：

server, err := socketio.NewServer(nil)
http.Handle("/engine.io/", server)
http.ListenAndServe(":5000", nil)

• NewServer 里会调用 engineio.NewServer 创建 engineio.Server 对象；
• 创建了 socketio.Server 对象后，会起一个协程，执行 Server.loop 函数；
• 在 loop 函数里，会不停调用 engine.io 的 Server.Accept 函数；拿到了 engineio.Conn 对象后，会创建一个 socket 对象，并起一个协程调用 socket.loop 函数；
• socket.loop 函数包含了 socket.io 异步事件的核心实现逻辑，在其中会不停调用 parser.go newDecoder 接口，从中读取数据，读到之后通过 socketHandler.onPacket 回调出来；

HTTP 请求的处理，则是由 Go http 模块传递到 socketio.Server，进而传递到 engineio.Server。

监听事件

监听事件包括两部分，server 事件和 socket 事件：

• socket.loop 开始的时候，会回调一次 socketHandler.onPacket，事件类型为 connection；
• socketHandler 会把注册进去的事件名和事件处理函数存入一个 map 中，每个事件只能注册一个处理函数；
• 读取到数据之后，会通过 socketHandler.onPacket 发出事件，事件处理函数的调用，利用了 Go 的反射技术；
• server 事件和 socket 事件是存在一起的；

收发数据

数据读取通过 decoder 实现：

• 构造 decoder 时传入的 frameReader 实际上是 engineio.Conn 对象；
• 在 decoder.Decode 函数里，会调用 Conn.NextReader，进而读取数据；

数据发送的接口包括 Emit 和 BroadcastTo，BroadcastTo 最终也是遍历房间里的所有 socket，然后调用其 Emit 接口。

Emit 最终发送数据则是通过 encoder 实现：

• 构造 encoder 时传入的 frameWriter 也是 engineio.Conn 对象；
• 在 encoder.Encode 函数里，会调用 Conn.NextWriter，进而发送数据；

在 encoder 和 decoder 里，还实现了一套 socket.io 的协议，包括 ACK、编码等逻辑，这里就不做展开了。

总结

好了，对 WebSocket 相关内容的分享就到这里，感谢阅读和支持 :)

参考文章

• The WebSocket Protocol
• package websocket

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