原来你是这样的Websocket--抓包分析

之前自己一个人负责完成了公司的消息推送服务，和移动端配合完成了扫码登录、订单消息推送、活动消息广播等功能。为了加深自己对Websocket协议的理解，自己通过进行抓包的方式学习了一番。现在分享出来，希望对大家能有所帮助。

Chrome控制台

(1)F12进入控制台，点击Network，选中ws栏，注意选中Filter。

(2)刷新页面会得到一个ws链接。

(3)点击链接可以查看链接详情

注意红框标出的信息，后面会详细说明。
(4)当然也可以切换到Frames查看发出和接收的消息,但是非常的简陋，只能看到消息内容，数据长度和时间

Fiddler:抓包调试利器

(1)打开Fiddler，点开菜单栏的Rules，选择Customize Rules...

(2)这时会打开CustomRules.js文件，在class Handlers中加入以下代码

static function OnWebSocketMessage(oMsg: WebSocketMessage) {
        // Log Message to the LOG tab
        FiddlerApplication.Log.LogString(oMsg.ToString());
    }

(3)保存后就可以在Fiddler右边栏的Log标签里，看到WebSocket的数据包
下列图中红框标出的Client.1代表客户端发出的第一条消息；对应的Server.1代表服务端发出的第一条消息。MessageType:Text代表正常的通话消息；Close代表会话关闭。
客户端发出的消息：

服务端发出的消息：

然后我们会发现每次会话关闭都是由客户端发起的：

相对于Chrome控制台来说Fiddler抓包更加详细一些，能知道会话消息是由客户端还是服务端发出并且能知道消息类型。但是这仍然满足不了深入理解学习Websocket协议的目的。如果是处理HTTP、HTTPS，还是用Fiddler。其他协议比如TCP,UDP 就用WireShark。TPC/IP协议是传输层协议，主要解决数据如何在网络中传输，而HTTP、Websocket是应用层协议，主要解决如何包装数据。因为应用层是在传输层的基础上包装数据，所以我们还是从底层开始了解Websocket到底是个啥?是如何工作的?

WireShark

WireShark（前称Ethereal）是一个网络封包分析软件。网络封包分析软件的功能是撷取网络封包，并尽可能显示出最为详细的网络封包资料。WireShark抓包是根据TCP/IP五层协议来的，也就是物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。我们主要关注传输层和应用层。

TCP三次握手

我们都知道，TCP建立连接时，会有三次握手过程。下图是WireShark截获到的三次握手的三个数据包（虽然叫数据包，但是三次握手包是没有数据的）。

点击上图中的数据包就可以查看每个数据包的详情，这里我们需要明确几个概念才能看懂每个数据包代表啥意义：
SYN:同步比特，建立连接。
ACK:确认比特，置1表示这是一个确认的TCP包，0则不是。
PSH:推送比特，当发送端PSH=1时，接收端应尽快交付给应用进程。

• 第一次握手

可以看到我们打开的Transmission Control Protocol即为传输层（Tcp）
SYN置为1，客户端向服务端发送连接请求包。

• 第二次握手

服务器收到客户端发过来的TCP报文，由SYN=1知道客户端要求建立联机，向客户端发送一个SYN=1，ACK=1的TCP报文，将确认序号设置为客户端的序列号加1。

• 第三次握手

客户端接收到服务器发过来的包后检查确认序列号是否正确，即第一次发送的序号+1，以及标志位ACK是否为1。若正确则再次发送确认包，ACK标志为1。链接建立成功，可以发送数据了。

一次特殊的HTTP请求

紧接着是一次Http请求（第四个包），说明Http的确是使用Tcp建立连接的。

先来看传输层（Tcp）: PSH（推送比特）置1，ACK置1，PSH置1说明开始发送数据，同时发送数据ACK要置1，因为需要接收到这个数据包的端给予确认。PSH为1的情况，一般只出现在 DATA内容不为0的包中，也就是说PSH为1表示的是有真正的TCP数据包内容被传递。

再来看应用层（Http）：这是一次特殊的Http请求，为什么是一次特殊的Http请求呢？Http请求头中Connection:Upgrade Upgrade:websocket,Upgrade代表升级到较新的Http协议或者切换到不同的协议。很明显WebSocket使用此机制以兼容的方式与HTTP服务器建立连接。WebSocket协议有两个部分：握手建立升级后的连接，然后进行实际的数据传输。首先，客户端通过使用Upgrade: WebSocket和Connection: Upgrade头部以及一些特定于协议的头来请求WebSocket连接，以建立正在使用的版本并设置握手。服务器，如果它支持协议，回复与相同Upgrade: WebSocket和Connection: Upgrade标题，并完成握手。握手完成后，数据传输开始。这些信息在前面的Chrome控制台中也可以看到。

请求：

响应：
响应状态码 101 表示服务器已经理解了客户端的请求，在发送完这个响应后，服务器将会切换到在Upgrade请求头中定义的那些协议。

由此我们可以总结出：
Websocket协议本质上是一个基于TCP的协议。建立连接需要握手，客户端（浏览器）首先向服务器（web server）发起一条特殊的http请求，web server解析后生成应答到浏览器，这样子一个websocket连接就建立了，直到某一方关闭连接。

Websocket的世界

通信协议格式是WebSocket格式，服务器端采用Tcp Socket方式接收数据，进行解析，协议格式如下：

首先我们需要知道数据在物理层，数据链路层是以二进制进行传递的，而在应用层是以16进制字节流进行传输的。

第一个字节：

FIN:1位，用于描述消息是否结束，如果为1则该消息为消息尾部,如果为零则还有后续数据包;
RSV1,RSV2,RSV3：各1位，用于扩展定义的,如果没有扩展约定的情况则必须为0
OPCODE:4位，用于表示消息接收类型，如果接收到未知的opcode，接收端必须关闭连接。

Webdocket数据帧中OPCODE定义：
0x0表示附加数据帧
0x1表示文本数据帧
0x2表示二进制数据帧
0x3-7暂时无定义，为以后的非控制帧保留
0x8表示连接关闭
0x9表示ping
0xA表示pong
0xB-F暂时无定义，为以后的控制帧保留

第二个字节：

MASK:1位，用于标识PayloadData是否经过掩码处理，客户端发出的数据帧需要进行掩码处理，所以此位是1。数据需要解码。
PayloadData的长度：7位，7+16位，7+64位
如果其值在0-125，则是payload的真实长度。
如果值是126，则后面2个字节形成的16位无符号整型数的值是payload的真实长度。
如果值是127，则后面8个字节形成的64位无符号整型数的值是payload的真实长度。

上图是客户端发送给服务端的数据包，其中PayloadData的长度为二进制：01111110——>十进制：126；如果值是126，则后面2个字节形成的16位无符号整型数的值是payload的真实长度。也就是圈红的十六进制：00C1——>十进制：193 byte。所以PayloadData的真实数据长度是193 bytes；

根据我们的分析，客户端到服务端数据包的websocket帧图应该为：

我们再来抓包分析一下服务器到客户端的数据包：

可以发现服务器发送给客户端的数据包中第二个字节中MASK位为0，这说明服务器发送的数据帧未经过掩码处理，这个我们从客户端和服务端的数据包截图中也可以发现，客户端的数据被加密处理，而服务端的数据则没有。（如果服务器收到客户端发送的未经掩码处理的数据包，则会自动断开连接；反之，如果客户端收到了服务端发送的经过掩码处理的数据包，也会自动断开连接）。

掩码处理：

未掩码处理：

根据我们的分析，服务端到客户端数据包的websocket帧图应该为：

TCP KeepAlive

如上图所示，TCP保活报文总是成对出现，包括TCP保活探测报文和TCP保活探测确认报文。
TCP保活探测报文是将之前TCP报文的确认序列号减1，并设置1个字节，内容为“00”的应用层数据，如下图所示：

TCP保活探测确认报文就是对保活探测报文的确认，其报文格式如下：

因为Websocket通过Tcp Socket方式工作，现在考虑一个问题，在一次长连接中，服务器怎么知道消息的顺序呢？这就涉及到tcp的序列号（Sequence Number）和确认号（Acknowledgment Number）。我的理解是序列号是发送的数据长度；确认号是接收的数据长度。这样讲比较抽象，我们从TCP三次握手开始（结合下图）详细分析一下。

包1：
TCP会话的每一端的序列号都从0开始，同样的，确认号也从0开始，因为此时通话还未开始，没有通话的另一端需要确认
包2：
服务端响应客户端的请求，响应中附带序列号0（由于这是服务端在该次TCP会话中发送的第一个包，所以序列号为0）和相对确认号1（表明服务端收到了客户端发送的包1中的SYN）。需要注意的是，尽管客户端没有发送任何有效数据，确认号还是被加1，这是因为接收的包中包含SYN或FIN标志位。
包3：
和包2中一样，客户端使用确认号1响应服务端的序列号0，同时响应中也包含了客户端自己的序列号（由于服务端发送的包中确认收到了客户端发送的SYN，故客户端的序列号由0变为1）此时，通信的两端的序列号都为1。
包4：客户端——>服务器
这是流中第一个携带有效数据的包（确切的说，是客户端发送的HTTP请求），序列号依然为1，因为到上个包为止，还没有发送任何数据，确认号也保持1不变，因为客户端没有从服务端接收到任何数据。需要注意的是，包中有效数据的长度为505字节
包5：服务器——>客户端
当上层处理HTTP请求时，服务端发送该包来确认客户端在包4中发来的数据，需要注意的是，确认号的值增加了505（505是包4中有效数据长度），变为506，简单来说，服务端以此来告知客户端端，目前为止，我总共收到了506字节的数据，服务端的序列号保持为1不变。
包6：服务器——>客户端
这个包标志着服务端返回HTTP响应的开始，序列号依然为1，因为服务端在该包之前返回的包中都不带有有效数据，该包带有129字节的有效数据。
包7：
由于上个数据包的发送，TCP客户端的确认序列号增长至130，从服务端接收了129字节的数据，客户端的确认号由1增长至130
理解了序列号和确认序列号是怎么工作的之后，我们也就知道“TCP保活探测报文是将之前TCP报文的确认序列号减1，并设置1个字节”为什么要这么搞了。减一再加一，是为了保证一次连接中keep alive不影响序列号和确认序列号。Keep alive 中的1byte 00的数据并不是真正要传递的数据，而是tcp keep alive约定俗称的规则。

总结：
WebSocket 是一个独立的基于 TCP 的协议，它与 HTTP 之间的唯一关系就是它的握手请求可以作为一个升级请求（Upgrade request）经由 HTTP 服务器解释。再严谨一点:WebSocket是一个网络通讯协议, 只要理解上面的数据帧格式和握手流程, 都可以完成基于websokect的即时通讯。