WebSocket 通信说明与基于 ESP-IDF 的 WebSocket 使用

一、 WebSocket 出现的背景

最开始 客户端（Client） 和 服务器（Server） 通信使用的是 HTTP 协议，HTTP 协议有一个的缺陷为：通信只能由客户端（Client）发起。

在一些场景下，这种单向请求的特点，注定了当 服务器（Server） 有连续的状态变化时， 客户端（Client） 要获知就非常麻烦。 客户端（Client） 只能使用轮询的方式，即每隔一段时间，就发出一个询问，来了解 服务器（Server） 有没有新的信息，最典型的场景就是聊天室。

轮询的方式导致效率很低，非常浪费资源， 客户端（Client） 必须不停地发起连接，或者 HTTP 连接始终打开。为此工程师们一直在思考更好的解决方案，因此 WebSocket 就这样诞生了。

二、WebSocket 的优缺点

WebSocket 优势：

  • 实时性： 由于 WebSocket 的持久化连接，它可以实现实时的数据传输，避免了 Web 应用程序需要不断地发送请求以获取最新数据的情况。
  • 双向通信： WebSocket 协议支持双向通信，这意味着 服务器（Server） 可以主动向 客户端（Client） 发送数据，而不需要 客户端（Client） 发送请求。
  • 减少网络负载： 由于 WebSocket 的持久化连接，它可以减少 HTTP 请求的数量，从而减少了网络负载。

WebSocket 的劣势：

  • 需要浏览器和 服务器（Server） 都支持： WebSocket 是一种相对新的技术，需要浏览器和服务器都支持。一些旧的浏览器和 服务器（Server） 可能不支持 WebSocket。
  • 需要额外的开销： WebSocket 需要在服务器上维护长时间的连接，这需要额外的开销，包括内存和 CPU。
  • 安全问题： 由于 WebSocket 允许 服务器（Server） 主动向 客户端（Client） 发送数据，可能会存在安全问题。 服务器（Server） 必须保证只向合法的 客户端（Client） 发送数据。

三、WebSocket 协议概述

WebSocket 协议是一种基于 TCP 的协议，用于在 客户端（Client） 和 服务器（Server） 之间建立持久连接，并且可以在这个连接上实时地交换数据。WebSocket 协议有自己的握手协议，用于建立连接，也有自己的数据传输格式。

当 客户端（Client） 发送一个 WebSocket 请求时，服务器（Server） 将发送一个协议响应以确认请求。在握手期间， 客户端（Client） 和 服务器（Server） 将协商使用的协议版本、支持的子协议、支持的扩展选项等。一旦握手完成，连接将保持打开状态， 客户端（Client） 和 服务器（Server） 就可以在连接上实时地传递数据。

WebSocket 协议使用的是 双向数据传输，即 客户端（Client） 和 服务器（Server） 都可以在任意时间向对方发送数据，而不需要等待对方的请求。它支持传输 二进制数据 和 文本数据，并可以自由地在它们之间进行转换。

WebSocket 通信过程

一个 WebSocket 连接包含以下四个主要阶段：

1、连接建立阶段（Connection Establishment）

在这个阶段， 客户端（Client） 和 服务器（Server） 之间的 WebSocket 连接被建立。 客户端（Client） 发送一个 WebSocket 握手请求， 服务器（Server） 响应一个握手响应，然后连接就被建立了。握手过程 如下：
WebSocket 为了兼容 HTTP 协议，是在 HTTP 协议的基础之上进行升级得到的。在客户端（Client） 和 服务器（Server） 端建立 HTTP 连接之后，客户端（Client） 会向 服务器（Server） 端发送一个升级到 WebSocket 的协议，如下所示：

GET /chat HTTP/1.1
Host: example.com:8000
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Sec-WebSocket-Version: 13

通过设置 Upgrade 和 Connection 这两个 header，表示准备升级到 WebSocket 了。

除了这里列的属性之外，其他的 HTTP 自带的 header 属性都是可以接受的。

当 服务器（Server） 端收到客户端（Client） 的请求之后，会返回给客户端（Client） 一个响应，告诉客户端（Client） 协议已经从 HTTP 升级到 WebSocket 了。返回的响应可能是这样的：

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

这里的 Sec-WebSocket-Accept 是根据客户端（Client） 请求中的 Sec-WebSocket-Key 来生成的。具体而言是将客户端（Client） 发送的 Sec-WebSocket-Key 和 字符串 “258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11” 进行连接。然后使用 SHA1 算法求得其 Hash 值，最后将 Hash 值进行 base64 编码即可，当 服务器（Server） 端返回 Sec-WebSocket-Accept 之后，客户端（Client） 可以对其进行校验，已完成整个握手过程。

2、连接开放阶段（Connection Open）

在这个阶段，WebSocket 连接已经建立并开放，客户端（Client） 和 服务器（Server） 可以在连接上互相发送数据。

3、连接关闭阶段（Connection Closing）

在这个阶段，一个 WebSocket 连接即将被关闭。它可以被客户端（Client） 或 服务器（Server） 发起，通过发送一个关闭帧来关闭连接。

4、连接关闭完成阶段（Connection Closed）

在这个阶段，WebSocket 连接已经完全关闭。客户端（Client） 和 服务器（Server） 之间的任何交互都将无效。

需要注意的是，WebSocket 连接在任何时候都可能关闭，例如网络故障、 服务器（Server） 崩溃等情况都可能导致连接关闭。因此，需要及时处理 WebSocket 连接关闭的事件，以确保应用程序的可靠性和稳定性。

WebSocket 的消息格式

WebSocket 的消息格式与 HTTP 请求和响应的消息格式有所不同。WebSocket 的消息格式可以是 文本 或 二进制数据，并且 WebSocket 消息的传输是在一个已经建立的连接上进行的，因此不需要再进行 HTTP 请求和响应的握手操作。

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

由图可知，WebSocket 的报文格式可以分为七大部分，分别是 1bit 的 FIN 标志位，3bit 的RSV 保留位，4bit 的 Opcode，1bit 的 Mask 标志位，7/7+16/7+64bit 的 payloadLen，可选字段 masking-key，可选字段 payload。具体解释下：

  • FIN 标志位：此标志位用于指示当前的帧是消息的最后一个分段。

    • WebSocket 支持将长消息切割成若干帧发送，切分后，前边的帧的 FIN 字段均为 0，最后一个帧的 FIN 为 1 。
    • 当消息没有分段时，这个帧便包含所有信息，FIN 标志位为1.【1bite】

  • RSV1~3 ：这是三个保留位,一般情况下为全 0。

    • 当 客户端（Client） 、服务端协商采用 WebSocket 扩展时，这三个标志位可以 非 0，且值的含义由扩展进行定义。
    • 如果出现 非0 值但并未采用 WebSocket 扩展，连接出错。

  • Opcode : 4bit 操作码，用于指示帧类型。

    • Opcode 决定了如何解析后续的数据载荷部分，如果操作码是不认识的，接收端应该断开连接。可选的操作码如下：

      %x0：表示一个延续帧。当 Opcode 为 0 时，表示本次数据传输采用了数据分片，当前收到的数据帧为其中一个数据分片。
%x1：表示这是一个文本帧（frame）
%x2：表示这是一个二进制帧（frame）
%x3-7：保留的操作代码，用于后续定义的非控制帧。
%x8：表示连接断开。
%x9：表示这是一个 ping 操作。
%xA：表示这是一个 pong 操作。
%xB-F：保留的操作代码，用于后续定义的控制帧。

    • 其中注意 WebSocket 既可以传输文本数据，也可以传输二进制数据

  • Mask 标志位：指示帧的 payload 是否需要使用掩码覆盖。

    • RFC6455 规定，当且仅当由客户端（Client） 向服务端发送的帧需要覆盖。

    • 掩码覆盖的作用：解决 “缓冲区溢出”（忽略）

    • 当 Mask 为 1 ，但服务端接收的数据没有进行过掩码操作，服务端需要断开连接

      payload length:7位/7+16位（64k）/7+64位（超级大），单位是字节
模式区分：
①当7bite的payloadlength<126，此时为模式1
② 7bite的payloadlength=126，16bite生效为模式2
③ 7bite的payloadlength=126，64bite生效为模式3

    • masking-key 与 mask 值有关，当 mask 为 0 时，没有 masking-key； 为 1 时，有 4bit 的 masking-key

  • payload-data :长度可变。包含扩展数据（x 字节）和应用数据（y 字节）

    • 如果通信双方约定使用了 WebSocket 扩展，则扩展数据也存放于此，并声明扩展长度。

    • 如果没有约定使用，则扩展数据为 0 字节。

WebSocket 的报文格式中最重要的便是 Opcode、payload length(三种模式)，payload data

四、基于 esp-idf 如何使用 webSocket

如何使用

  • 对于 esp-idf v5.0 以下版本， 有对应的 websocket 示例， 用户可以直接进行测试。

  • 对于 esp-idf v5.0 以上版本， 提供了 esp_websocket_client 组件， 直接在对应的示例下面添加组件即可。

    idf.py add-dependency "espressif/esp_websocket_client^1.2.3"

基于 ESP-IDF SDK 使用 Websocket 的案例：

使用 esp-idf v4.2.2 版本， 服务器（Server） 有时会异常断开， 模块会收到 服务器（Server） 发过来的 opcode=0x08 关闭帧， 这这种情况下设备要如何重新连接？这个机制是怎样的呢？

首先，op_code 为 0x08 是一个断开帧， 表示对端主动断开的， 我们是不需要在 WEBSOCKET_EVENT_DATA 里去判断 op_code 等于 0x08 的情况。在 WEBSOCKET CLOSED 事件中，内部会进行断开的处理，如果直接在 WEBSOCKET_EVENT_CLOSED 调用 esp_websocket_client_start(client) 接口重新连接 服务器（Server） ， 则实际测试下来会进入到 close 事件里面， 但是并没有重新连接， 日志如下：

2024-09-27 12:10:14.783]# RECV ASCII>
[0;32mI (27116) WEBSOCKET: ====================Received opcode=1==================[0m
[0;33mW (27116) WEBSOCKET: ------> [3, "410212051", {}] <------[2024-09-27 12:10:21.160]# RECV ASCII>
[0;32mI (33506) uart_events: netStatus:7
[2024-09-27 12:10:22.466]# RECV ASCII>
[0;32mI (34796) WEBSOCKET: ====================Received opcode=8==================[0m
[0;32mI (34796) WEBSOCKET: WEBSOCKET_EVENT_CLOSED[0m
[2024-09-27 12:10:26.185]# RECV ASCII>
[0;31mE (38486) TRANSPORT_WS: Error read response for Upgrade header GET /HBE-123456 HTTP/1.1Connection: UpgradeHost: 0c6eeb3d0d512aa2.octt.openchargealliance.org:21128User-Agent: ESP32 Websocket ClientUpgrade: websocketSec-WebSocket-Version: 13Sec-WebSocket-Key: VMy5tg1Rv1Gr/P7HhLCTVw==Sec-WebSocket-Protocol: ocpp1.6[0m
[0;31mE (38506) WEBSOCKET_CLIENT: Error transport connect[0m
[0;31mE (38516) WEBSOCKET_CLIENT: esp_websocket_client_abort_connection(160): Websocket already stop
[2024-09-27 12:10:29.403]# RECV ASCII>
[0;32mI (41746) uart_events: netStatus:6
[2024-09-27 12:10:37.633]# RECV ASCII>
[0;32mI (49976) uart_events: netStatus:6
[2024-09-27 12:10:45.848]# RECV ASCII>
[0;32mI (58196) uart_events: netStatus:6
[2024-09-27 12:10:51.190]# RECV ASCII>
[0;31mE (63456) task_wdt: Task watchdog got triggered. The following tasks did not reset the watchdog in time:[0m
[0;31mE (63456) task_wdt:  - IDLE (CPU 0)[0m
[0;31mE (63456) task_wdt: Tasks currently running:[0m
[0;31mE (63456) task_wdt: CPU 0: websocket_task[0m
[0;31mE (63456) task_wdt: CPU 1: IDLE[0m
[0;31mE (63456) task_wdt: Print CPU 0 (current core) backtrace
Backtrace: 0x4013BF6A:0x3FFBE920 0x40082A71:0x3FFBE940 0x4000BFED:0x3FFF1030 0x40093AAD:0x3FFF1040 0x40091698:0x3FFF1060 0x400917A8:0x3FFF10A0 0x400DD000:0x3FFF10C0 0x400938D9:0x3FFF10F0
[0;31mE (63456) task_wdt: Print CPU 1 backtrace[0m
Backtrace: 0x4008BFF1:0x3FFBEF2

再进一步调试发现是因为客户端（Client） 如果收到 0x08 的 opcode ， 它不仅仅只是断开之前的连接， 还会释放掉之前创建的 handle，所以用户需要在 WEBSOCKET_EVENT_CLOSED 事件里创建好 handle ， 然后直接去做重新连接的操作， 参考如下代码：

case WEBSOCKET_EVENT_CLOSED:ESP_LOGI(TAG, "WEBSOCKET_EVENT_CLOSED");esp_websocket_client_config_t websocket_cfg = {};shutdown_signal_timer = xTimerCreate("Websocket shutdown timer", NO_DATA_TIMEOUT_SEC * 1000 / portTICK_PERIOD_MS,pdFALSE, NULL, shutdown_signaler);shutdown_sema = xSemaphoreCreateBinary();websocket_cfg.task_stack = 8192;websocket_cfg.uri = "ws://0c6eeb3d0d512aa2.octt.openchargealliance.org:21128/HBE-123456";websocket_cfg.subprotocol="ocpp1.6";ESP_LOGI(TAG, "Connecting to %s...", websocket_cfg.uri);esp_websocket_client_handle_t client = esp_websocket_client_init(&websocket_cfg);esp_websocket_register_events(client, WEBSOCKET_EVENT_ANY, websocket_event_handler, (void *)client);esp_websocket_client_start(client);break;}

修改代码之后， 在 服务器（Server） 收到 0x08 的 opcode 之后， 可以重新连接成功。

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