websocket协议-细说WebSocket – php篇

下面我画了一个图演示 client 和 server 之间建立 websocket 连接时握手部分，这个部分在 node 中可以十分轻松的完成，因为 node 提供的 net 模块已经对 socket 套接字做了封装处理，开发者使用的时候只需要考虑数据的交互而不用处理连接的建立。而 php 没有，从 socket 的连接、建立、绑定、监听等，这些都需要我们自己去操作，所以有必要拿出来再说一说。

   +--------+    1.发送Sec-WebSocket-Key        +---------+
    |        | --------------------------------> |        |
    |        |    2.加密返回Sec-WebSocket-Accept  |        |
    | client | <-------------------------------- | server |
    |        |    3.本地校验                      |        |
    |        | --------------------------------> |        |
    +--------+                                   +--------+

看了我写的上一篇文章的同学应该是对上图有了比较全面的理解。① 和 ② 实际上就是一个 HTTP 的请求和响应，只不过我们在处理的过程中我们拿到的是没有经过解析的字符串。如：

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Origin: http://example.com

我们往常看到的请求是这个样子，当这东西到了服务器端，我们可以通过一些代码库直接拿到这些信息。

一、php 中处理 websocket

WebSocket 连接是由客户端主动发起的，所以一切要从客户端出发。第一步是要解析拿到客户端发过来的 Sec-WebSocket-Key 字符串。

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

前文中也提到了 client 请求的格式（如上），首先 php 建立一个 socket 连接，监听端口的信息。

1. socket 连接的建立

关于 socket 套接字的建立，相信很多大学修过计算机网络的人都知道了，下面是一张连接建立的过程：

// 建立一个 socket 套接字
$master = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP);
socket_set_option($master, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1);
socket_bind($master, $address, $port);
socket_listen($master);

相比 node，这个地方的处理实在是太麻烦了，上面几行代码并未建立连接，只不过这些代码是建立一个 socket 套接字必须要写的东西。由于处理过程稍微有复杂，所以我把各种处理写进了一个类中，方便管理和调用。

//demo.php
Class WS {
    var $master;  // 连接 server 的 client
    var $sockets = array(); // 不同状态的 socket 管理
    var $handshake = false; // 判断是否握手

    function __construct($address, $port){
        // 建立一个 socket 套接字
        $this->master = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP)   
            or die("socket_create() failed");
        socket_set_option($this->master, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1)  
            or die("socket_option() failed");
        socket_bind($this->master, $address, $port)                    
            or die("socket_bind() failed");
        socket_listen($this->master, 2)                               
            or die("socket_listen() failed");

        $this->sockets[] = $this->master;

        // debug
        echo("Master socket  : ".$this->master."\n");

        while(true) {
            //自动选择来消息的 socket 如果是握手 自动选择主机
            $write = NULL;
            $except = NULL;
            socket_select($this->sockets, $write, $except, NULL);

            foreach ($this->sockets as $socket) {
                //连接主机的 client 
                if ($socket == $this->master){
                    $client = socket_accept($this->master);
                    if ($client < 0) {
                        // debug
                        echo "socket_accept() failed";
                        continue;
                    } else {
                        //connect($client);
                        array_push($this->sockets, $client);
                        echo "connect client\n";
                    }
                } else {
                    $bytes = @socket_recv($socket,$buffer,2048,0);
                    if($bytes == 0) return;
                    if (!$this->handshake) {
                        // 如果没有握手，先握手回应
                        //doHandShake($socket, $buffer);
                        echo "shakeHands\n";
                    } else {
                        // 如果已经握手，直接接受数据，并处理
                        $buffer = decode($buffer);
                        //process($socket, $buffer); 
                        echo "send file\n";
                    }
                }
            }
        }
    }
}

上面这段代码是经过我调试了的，没太大的问题，如果想测试的话，可以在 cmd 命令行中键入 php /path/to/demo.php;当然，上面只是一个类，如果要测试的话，还得新建一个实例。

$ws = new WS('localhost', 4000);

客户端代码可以稍微简单点：

var ws = new WebSocket("ws://localhost:4000");
ws.onopen = function(){
    console.log("握手成功");
};
ws.onerror = function(){
    console.log("error");
};

运行服务器代码，当客户端连接的时候，我们可以看到：

通过上面的代码可以清晰的看到整个交流的过程。首先是建立连接，node 中这一步已经封装到了 net 和 http 模块，然后判断是否握手，如果没有的话，就 shakeHands。这里的握手我直接就 echo 了一个单词，表示进行了这个东西，前文我们提到过握手算法，这里就直接写了。

2. 提取 Sec-WebSocket-Key 信息

function getKey($req) {
    $key = null;
    if (preg_match("/Sec-WebSocket-Key: (.*)\r\n/", $req, $match)) { 
        $key = $match[1]; 
    }
    return $key;
}

这里比较简单，直接正则匹配，websocket 信息头一定包含 Sec-WebSocket-Key，所以我们匹配起来也比较快捷~

3. 加密 Sec-WebSocket-Key

function encry($req){
    $key = $this->getKey($req);
    $mask = "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11";

    return base64_encode(sha1($key . '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11', true));
}

将 SHA-1 加密后的字符串再进行一次 base64 加密。如果加密算法错误，客户端在进行校检的时候会直接报错：

4. 应答 Sec-WebSocket-Accept

function dohandshake($socket, $req){
    // 获取加密key
    $acceptKey = $this->encry($req);
    $upgrade = "HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n" .
               "Upgrade: websocket\r\n" .
               "Connection: Upgrade\r\n" .
               "Sec-WebSocket-Accept: " . $acceptKey . "\r\n" .
               "\r\n";

    // 写入socket
    socket_write(socket,$upgrade.chr(0), strlen($upgrade.chr(0)));
    // 标记握手已经成功，下次接受数据采用数据帧格式
    $this->handshake = true;
}

这里千万要注意，每一个请求和相应的格式，最后有一个空行，也就是 \r\n，开始测试的时候把这东西给弄丢了，纠结了半天。

当客户端成功校检key后，会触发 onopen 函数：

5. 数据帧处理

// 解析数据帧
function decode($buffer)  {
    $len = $masks = $data = $decoded = null;
    $len = ord($buffer[1]) & 127;

    if ($len === 126)  {
        $masks = substr($buffer, 4, 4);
        $data = substr($buffer, 8);
    } else if ($len === 127)  {
        $masks = substr($buffer, 10, 4);
        $data = substr($buffer, 14);
    } else  {
        $masks = substr($buffer, 2, 4);
        $data = substr($buffer, 6);
    }
    for ($index = 0; $index < strlen($data); $index++) {
        $decoded .= $data[$index] ^ $masks[$index % 4];
    }
    return $decoded;
}

这里涉及的编码问题在前文中已经提到过了，这里就不赘述，php 对字符处理的函数太多了，也记得不是特别清楚，这里就没有详细的介绍解码程序，直接把客户端发送的数据原样返回，可以算是一个聊天室的模式吧。

// 返回帧信息处理
function frame($s) {
    $a = str_split($s, 125);
    if (count($a) == 1) {
        return "\x81" . chr(strlen($a[0])) . $a[0];
    }
    $ns = "";
    foreach ($a as $o) {
        $ns .= "\x81" . chr(strlen($o)) . $o;
    }
    return $ns;
}

// 返回数据
function send($client, $msg){
    $msg = $this->frame($msg);
    socket_write($client, $msg, strlen($msg));
}

客户端代码：

var ws = new WebSocket("ws://localhost:4000");
ws.onopen = function(){
    console.log("握手成功");
};
ws.onmessage = function(e){
    console.log("message:" + e.data);
};
ws.onerror = function(){
    console.log("error");
};
ws.send("李靖");

在连通之后发送数据，服务器原样返回：

二、注意问题

1. websocket 版本问题

客户端在握手时的请求中有Sec-WebSocket-Version: 13，这样的版本标识，这个是一个升级版本，现在的浏览器都是使用的这个版本。而以前的版本在数据加密的部分更加麻烦，它会发送两个key：

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Key1: xxxx
Sec-WebSocket-Key2: xxxx

如果是这种版本（比较老，已经没在使用了），需要通过下面的方式获取

function encry($key1,$key2,$l8b){ //Get the numbers preg_match_all('/([\d]+)/', $key1, $key1_num); preg_match_all('/([\d]+)/', $key2, $key2_num);

    $key1_num = implode($key1_num[0]);
    $key2_num = implode($key2_num[0]);
    //Count spaces
    preg_match_all('/([ ]+)/', $key1, $key1_spc);
    preg_match_all('/([ ]+)/', $key2, $key2_spc);

    if($key1_spc==0|$key2_spc==0){ $this->log("Invalid key");return; }
    //Some math
    $key1_sec = pack("N",$key1_num / $key1_spc);
    $key2_sec = pack("N",$key2_num / $key2_spc);

    return md5($key1_sec.$key2_sec.$l8b,1);
}

只能无限吐槽这种验证方式！相比 nodeJs 的 websocket 操作方式：

//服务器程序
var crypto = require('crypto');
var WS = '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11';
require('net').createServer(function(o){
    var key;
    o.on('data',function(e){
        if(!key){
            //握手
            key = e.toString().match(/Sec-WebSocket-Key: (.+)/)[1];
            key = crypto.createHash('sha1').update(key + WS).digest('base64');
            o.write('HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n');
            o.write('Upgrade: websocket\r\n');
            o.write('Connection: Upgrade\r\n');
            o.write('Sec-WebSocket-Accept: ' + key + '\r\n');
            o.write('\r\n');
        }else{
            console.log(e);
        };
    });
}).listen(8000);

多么简洁，多么方便！有谁还愿意使用 php 呢。。。。

2. 数据帧解析代码

本文没有给出 decodeFrame 这样数据帧解析代码，前文中给出了数据帧的格式，解析纯属体力活。

3. 代码展示

对这部分感兴趣的同学可以再去深究。代码用到了demo.php和ws.html两个文件。

<?php
class WS {
	var $master;
	var $sockets = array();
	var $debug = false;
	var $handshake = false;

	function __construct($address, $port){
		$this->master=socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP)     or die("socket_create() failed");
		socket_set_option($this->master, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1)  or die("socket_option() failed");
		socket_bind($this->master, $address, $port)                    or die("socket_bind() failed");
		socket_listen($this->master,20)                                or die("socket_listen() failed");
		
		$this->sockets[] = $this->master;
		$this->say("Server Started : ".date('Y-m-d H:i:s'));
		$this->say("Listening on   : ".$address." port ".$port);
		$this->say("Master socket  : ".$this->master."\n");
		
		while(true){
			$socketArr = $this->sockets;
			$write = NULL;
			$except = NULL;
			socket_select($socketArr, $write, $except, NULL);  //自动选择来消息的socket 如果是握手 自动选择主机
			foreach ($socketArr as $socket){
				if ($socket == $this->master){  //主机
					$client = socket_accept($this->master);
					if ($client < 0){
						$this->log("socket_accept() failed");
						continue;
					} else{
						$this->connect($client);
					}
				} else {
					$this->log("^^^^");
					$bytes = @socket_recv($socket,$buffer,2048,0);
					$this->log("^^^^");
					if ($bytes == 0){
						$this->disConnect($socket);
					}
					else{
						if (!$this->handshake){
							$this->doHandShake($socket, $buffer);
						}
						else{
							$buffer = $this->decode($buffer);
							$this->send($socket, $buffer); 
						}
					}
				}
			}
		}
	}
	
	function send($client, $msg){
		$this->log("> " . $msg);
		$msg = $this->frame($msg);
		socket_write($client, $msg, strlen($msg));
		$this->log("! " . strlen($msg));
	}
	function connect($socket){
		array_push($this->sockets, $socket);
		$this->say("\n" . $socket . " CONNECTED!");
		$this->say(date("Y-n-d H:i:s"));
	}
	function disConnect($socket){
		$index = array_search($socket, $this->sockets);
		socket_close($socket);
		$this->say($socket . " DISCONNECTED!");
		if ($index >= 0){
			array_splice($this->sockets, $index, 1); 
		}
	}
	function doHandShake($socket, $buffer){
		$this->log("\nRequesting handshake...");
		$this->log($buffer);
		list($resource, $host, $origin, $key) = $this->getHeaders($buffer);
		$this->log("Handshaking...");
		$upgrade  = "HTTP/1.1 101 Switching Protocol\r\n" .
					"Upgrade: websocket\r\n" .
					"Connection: Upgrade\r\n" .
					"Sec-WebSocket-Accept: " . $this->calcKey($key) . "\r\n\r\n";  //必须以两个回车结尾
		$this->log($upgrade);
		$sent = socket_write($socket, $upgrade, strlen($upgrade));
		$this->handshake=true;
		$this->log("Done handshaking...");
		return true;
	}

	function getHeaders($req){
		$r = $h = $o = $key = null;
		if (preg_match("/GET (.*) HTTP/"              ,$req,$match)) { $r = $match[1]; }
		if (preg_match("/Host: (.*)\r\n/"             ,$req,$match)) { $h = $match[1]; }
		if (preg_match("/Origin: (.*)\r\n/"           ,$req,$match)) { $o = $match[1]; }
		if (preg_match("/Sec-WebSocket-Key: (.*)\r\n/",$req,$match)) { $key = $match[1]; }
		return array($r, $h, $o, $key);
	}

	function calcKey($key){
		//基于websocket version 13
		$accept = base64_encode(sha1($key . '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11', true));
		return $accept;
	}

	function decode($buffer) {
		$len = $masks = $data = $decoded = null;
		$len = ord($buffer[1]) & 127;

		if ($len === 126) {
			$masks = substr($buffer, 4, 4);
			$data = substr($buffer, 8);
		} 
		else if ($len === 127) {
			$masks = substr($buffer, 10, 4);
			$data = substr($buffer, 14);
		} 
		else {
			$masks = substr($buffer, 2, 4);
			$data = substr($buffer, 6);
		}
		for ($index = 0; $index < strlen($data); $index++) {
			$decoded .= $data[$index] ^ $masks[$index % 4];
		}
		return $decoded;
	}

	function frame($s){
		$a = str_split($s, 125);
		if (count($a) == 1){
			return "\x81" . chr(strlen($a[0])) . $a[0];
		}
		$ns = "";
		foreach ($a as $o){
			$ns .= "\x81" . chr(strlen($o)) . $o;
		}
		return $ns;
	}

	
	function say($msg = ""){
		echo $msg . "\n";
	}
	function log($msg = ""){
		if ($this->debug){
			echo $msg . "\n";
		} 
	}
}
	

new WS('localhost', 4000);

<script type="text/javascript">
var ws = new WebSocket("ws://localhost:4000");
ws.onopen = function(){
	console.log("握手成功");
}
ws.onmessage = function(e){
	console.log("message:" + e.data);
}
ws.onerror = function(){
	console.log("error");
}
</script>

4. 相关开源库参考

http://socketo.me Ratchet 为 php 封装的一个 WebSockets 库。

Google 上搜索 php+websoket+class，也能找到不少相关的资料。

三、参考资料

http://www.php.net/manual/zh/ref.sockets.php php manual
http://www.rfc-editor.org/rfc/rfc6455.txt [RFC6455] WebSocket

来自：https://www.barretlee.com/blog/2013/12/25/cb-websocket-with-php/ 可以关注微信公众号（小胡子哥）

文章错误纠正：

1、握手函数中不应该加chr(0)，只应该发送$upgrade，否则后续消息发到浏览器中都会提示A server must not mask any frames that it sends to the client.

———————————————————

2、我想问下在demo.php 中您用了一个全局变量‘$handshake’ 来标记是否握手好像这边会导致只有第一次连接的client能够成功连上，第二个client,第三个client的就连接不上了

3、我试过了可以改成，在把new socket变量加到全局变量$socket之后，就立即进行握手动作。可以解决我之前遇到的只能第一个client连接上的问题。

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