WebSocket 协议细节：帧格式与握手过程

一、握手过程

WebSocket 握手基于 HTTP 升级机制，分为客户端请求和服务器响应两个阶段：

1. 客户端握手请求
   客户端发送 HTTP GET 请求，关键头部如下：

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

   • Upgrade 和 Connection 声明协议升级意图
   • Sec-WebSocket-Key：16字节随机值的 Base64 编码
   • Sec-WebSocket-Version：协议版本（通常为13）

2. 服务器握手响应
   服务器返回 HTTP 101 状态码：

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

   • Sec-WebSocket-Accept 生成过程：
     1. 拼接客户端密钥与固定 GUID：
        Sec-WebSocket-Key + "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"
     2. 计算 SHA-1 哈希
     3. 对哈希结果进行 Base64 编码

   握手成功后，TCP 连接升级为 WebSocket 全双工通道。

二、帧格式

WebSocket 数据传输单位是帧（Frame），二进制格式如下：

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
|F|R|R|R| opcode|M| Payload len |    Extended payload length    |
|I|S|S|S|  (4)  |A|     (7)     |             (16/64)           |
|N|V|V|V|       |S|             |                               |
| |1|2|3|       |K|             |                               |
+-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
|     Extended payload length (continued)       | Masking-key   |
+-------------------------------+-------------------------------+
| Masking-key (continued)       |          Payload Data         |
+-------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - +
:                     Payload Data continued ...                :
+---------------------------------------------------------------+

关键字段说明：

1. 基础头（2字节）

   • FIN (1 bit)：是否为消息的最后一帧
   • RSV1-3 (各1 bit)：保留位（通常为0）
   • Opcode (4 bits)：帧类型标识
     • $0x1$：文本帧（UTF-8）
     • $0x2$：二进制帧
     • $0x8$：连接关闭
     • $0x9$：Ping
     • $0xA$：Pong
   • MASK (1 bit)：是否使用掩码（客户端→服务端必须为1）
   • Payload len (7 bits)：负载长度标识
     • $0 \leq \text{len} \leq 125$：直接表示长度
     • $\text{len} = 126$：后续2字节存储长度
     • $\text{len} = 127$：后续8字节存储长度

2. 扩展长度（0/2/8字节）
   当 Payload len 为126或127时，存储实际长度（大端序）。

3. 掩码键（4字节）
   当 MASK=1 时存在，用于解码负载数据。

4. 负载数据（变长）
   实际传输内容，若启用掩码需按以下规则解码：
   对于第 $i$ 字节数据：
   $$ \text{decoded}[i] = \text{encoded}[i] \oplus \text{mask}[i \bmod 4] $$

三、关键特性

1. 数据分片：大消息可拆分为多帧（FIN=0 表示未完，Opcode=0 为续帧）
2. 控制帧：
   • Ping/Pong 用于保活检测（最大负载长度 125 字节）
   • Close 帧含 2 字节状态码（如 $1000$=正常关闭）
3. 掩码机制：防止代理服务器缓存污染（仅客户端发送时启用）

注：WebSocket 默认端口与 HTTP 一致（80/443），但可运行于任意 TCP 端口。