【Linux 网络基础】WebSockets 技术指南

WebSockets 技术指南

本文档适合开发与架构参考使用，包含技术概述、协议细节、实现方案、应用场景、性能优化、兼容性与 RFC 链接。

技术概述
协议细节
- [握手过程（HTTP Upgrade）](#握手过程（HTTP Upgrade）)
- 数据帧格式
- 心跳机制（Ping/Pong）
实现方案
- [Linux 客户端（libwebsockets）](#Linux 客户端（libwebsockets）)
- [Linux 服务端（libwebsockets/Nginx 反向代理）](#Linux 服务端（libwebsockets/Nginx 反向代理）)
- 安全考虑
应用场景
性能优化
兼容性支持
[RFC 参考链接](#RFC 参考链接)

技术概述

定义：WebSockets 是建立在单个 TCP 连接上的全双工通信协议，使客户端与服务器能够低延迟、双向实时传输数据。
相对 HTTP 轮询：
- 轮询优点：兼容性好、易部署；缺点：额外请求开销、延迟大、服务端推送困难。
- WebSockets 优点：单连接双向实时、消息头小、延迟低；缺点：需后端长期持久连接管理、对代理与负载均衡有特殊要求。
协议前缀：
- ws:// 不加密，适用于受信局域网或非敏感场景。
- wss:// 通过 TLS 加密，提供机密性与完整性，适用于公网与敏感数据。

协议细节

握手过程（HTTP Upgrade）

客户端通过 HTTP(S) 发起 Upgrade 请求，服务器返回 101 Switching Protocols 并升级到 WebSocket。
请求示例：

GET /chat HTTP/1.1
Host: example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Sec-WebSocket-Version: 13
Origin: https://example.com
响应示例：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
Sec-WebSocket-Protocol: chat
关键点：
- Sec-WebSocket-Key 与服务器计算的 Sec-WebSocket-Accept（基于 GUID 拼接后 SHA-1 再 Base64）。
- 可选 Sec-WebSocket-Protocol 用于子协议协商；Origin 头建议服务端验证以防跨站连接。

数据帧格式

帧头：
- FIN(1bit)：是否为消息最后一个片段。
- RSV1--RSV3(3bit)：扩展保留位，默认应为 0；压缩扩展可能使用 RSV1。
- Opcode(4bit)：0x1 文本、0x2 二进制、0x9 Ping、0xA Pong、0x0 继续帧、0x8 关闭。
- Mask(1bit)：客户端发送必须置 1，含 32bit mask；服务器发送通常为 0。
- Payload len：7bits 或扩展 16/64bits。
- Masking-key：客户端帧包含，用于对负载做异或掩码。
负载：文本以 UTF-8 编码；二进制为不透明字节流。消息可由多个片段组成，最终片段 FIN=1。

心跳机制（Ping/Pong）

Ping/Pong 是协议级心跳与保活。服务器通常定时发送 Ping，客户端收到后自动回复 Pong。
浏览器 API 不直接提供 Ping 帧发送接口，客户端可采用应用层心跳消息作为替代。

实现方案

Linux 客户端（libwebsockets）

c 复制代码

#include <libwebsockets.h>

static int cb_client(struct lws *wsi, enum lws_callback_reasons reason,
                     void *user, void *in, size_t len) {
  switch (reason) {
    case LWS_CALLBACK_CLIENT_ESTABLISHED:
      lws_callback_on_writable(wsi);
      break;
    case LWS_CALLBACK_CLIENT_WRITEABLE: {
      unsigned char buf[LWS_PRE + 128];
      unsigned char *p = &buf[LWS_PRE];
      size_t n = lws_snprintf((char*)p, 128, "hello");
      lws_write(wsi, p, n, LWS_WRITE_TEXT);
      break;
    }
    case LWS_CALLBACK_CLIENT_RECEIVE:
      // 处理服务器返回数据（in/len）
      break;
    case LWS_CALLBACK_CLIENT_CONNECTION_ERROR:
      // 连接错误处理
      break;
    default:
      break;
  }
  return 0;
}

static const struct lws_protocols protos[] = {
  { "echo", cb_client, 0, 4096 },
  { NULL, NULL, 0, 0 }
};

int main() {
  struct lws_context_creation_info info = {0};
  info.port = CONTEXT_PORT_NO_LISTEN; // 客户端不监听
  info.protocols = protos;
  info.options = LWS_SERVER_OPTION_DO_SSL_GLOBAL_INIT; // 允许 TLS 初始化
  // 指定根 CA（验证 wss 服务端证书），依据系统路径调整
  info.client_ssl_ca_filepath = "/etc/ssl/certs/ca-certificates.crt";

  struct lws_context *ctx = lws_create_context(&info);
  if (!ctx) return 1;

  struct lws_client_connect_info cc = {0};
  cc.context = ctx;
  cc.address = "example.com"; // 服务器地址
  cc.port = 443;               // wss 端口
  cc.path = "/ws";            // 路径
  cc.protocol = "echo";        // 子协议
  cc.host = cc.address;        // SNI/Host
  cc.origin = "https://example.com";
  cc.ssl_connection = LWS_USE_SSL; // 启用 TLS（wss://）

  struct lws *wsi = lws_client_connect_via_info(&cc);
  if (!wsi) return 1;

  while (lws_service(ctx, 0) >= 0) {}
  lws_context_destroy(ctx);
  return 0;
}

构建示例：gcc -o lws_client client.c -lwebsockets（按后端可能需要 -lssl -lcrypto 或 mbedTLS 依赖）。
心跳：libwebsockets 按协议自动处理 Ping/Pong；应用可通过定时器实现业务心跳与超时清理。

Linux 服务端（libwebsockets/Nginx 反向代理）

基于 libwebsockets 的最小服务器：

c 复制代码

#include <libwebsockets.h>

static int cb_echo(struct lws *wsi, enum lws_callback_reasons reason,
                   void *user, void *in, size_t len) {
  switch (reason) {
    case LWS_CALLBACK_ESTABLISHED:
      break;
    case LWS_CALLBACK_RECEIVE:
      lws_callback_on_writable(wsi);
      break;
    case LWS_CALLBACK_SERVER_WRITEABLE: {
      unsigned char buf[LWS_PRE + 1024];
      unsigned char *p = &buf[LWS_PRE];
      size_t n = lws_snprintf((char*)p, 1024, "pong");
      lws_write(wsi, p, n, LWS_WRITE_TEXT);
      break;
    }
    default:
      break;
  }
  return 0;
}

static const struct lws_protocols protos[] = {
  { "echo", cb_echo, 0, 4096 },
  { NULL, NULL, 0, 0 }
};

int main() {
  struct lws_context_creation_info info = {0};
  info.port = 9000;            // 监听端口（ws://）
  info.protocols = protos;
  struct lws_context *ctx = lws_create_context(&info);
  if (!ctx) return 1;
  while (lws_service(ctx, 0) >= 0) {}
  lws_context_destroy(ctx);
  return 0;
}

Nginx 反向代理（支持 WebSocket Upgrade 与 wss 终止）：

nginx 复制代码

server {
  listen 443 ssl;
  server_name example.com;
  ssl_certificate     /etc/letsencrypt/live/example.com/fullchain.pem;
  ssl_certificate_key /etc/letsencrypt/live/example.com/privkey.pem;

  location /ws {
    proxy_pass http://127.0.0.1:9000;
    proxy_http_version 1.1;
    proxy_set_header Upgrade $http_upgrade;
    proxy_set_header Connection "Upgrade";
    proxy_set_header Host $host;
  }
}

安全考虑

强制使用 wss:// 于公网与敏感数据传输，启用现代 TLS（TLS 1.2/1.3）。
验证 Origin 头并实施白名单，防止跨站 WebSocket 滥用。
认证与授权：在握手阶段使用 Cookie/Token/自定义头；建立后在应用层维持会话态与权限校验。
资源配额与限速：限制每连接消息大小与速率，防止 DoS。
压缩安全：启用 permessage-deflate 时注意潜在 CRIME/BREACH 类泄露风险，避免在同连接内混合敏感与可控输入。

应用场景

实时聊天：多人房间、私聊、消息既时达。
在线协作：文档/白板/音视频信令等状态同步。
金融行情推送：高频低延迟广播与个性化订阅。

性能优化

连接复用：在同域与同用户场景，复用单连接承载多通道（子协议或应用层路由），减少连接数量。
二进制传输：使用 ArrayBuffer/TypedArray 降低序列化开销；结构化数据建议 Protocol Buffer/FlatBuffers。
压缩扩展：启用 permessage-deflate（RFC 7692）在大消息场景降低带宽；结合分片与批处理。
回压与批量：实现发送队列与背压处理，聚合多条消息后统一写出，降低系统调用次数。
心跳与超时：合理设置服务器 Ping 与连接空闲超时，及时清理断链。

兼容性支持

Chrome 16+、Firefox 11+、Safari 6+、Edge 12+、现代移动浏览器均支持 RFC 6455 WebSocket。
代理与负载均衡需支持 HTTP Upgrade 与长连接（Nginx、HAProxy、Envoy 均可通过配置支持）。

RFC 参考链接

RFC 6455（The WebSocket Protocol）：https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc6455
RFC 7692（Compression Extensions for WebSocket）：https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc7692
RFC 8446（TLS 1.3，用于 wss）：https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc8446

握手流程示意图

Browser Server HTTP GET + Upgrade: websocket 101 Switching Protocols 升级为 WebSocket, 建立双向通道 Frames (Text/Binary) Frames (Text/Binary) Ping Pong Browser Server

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WebSockets 技术指南

目录

技术概述

协议细节

握手过程（HTTP Upgrade）

数据帧格式

心跳机制（Ping/Pong）

实现方案

Linux 客户端（libwebsockets）

Linux 服务端（libwebsockets/Nginx 反向代理）

安全考虑

应用场景

性能优化

兼容性支持

RFC 参考链接

握手流程示意图