Skip to main content

5. Data Framing (数据帧)

WebSocket协议使用帧来传输数据。本章定义了WebSocket帧的格式和处理规则。

5.1 Overview (概述)​

一旦WebSocket连接建立，客户端和服务器可以双向传输数据。数据以一系列帧的形式传输。

关键概念:

  • 帧 (Frame): 传输的基本单位，包含头部和有效载荷
  • 消息 (Message): 应用程序级别的数据，可能由一个或多个帧组成
  • 分片 (Fragmentation): 大消息可以分成多个帧发送

5.2 Base Framing Protocol (基础帧协议)​

帧结构​

 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|             |   (if payload len==126/127)   |
| |1|2|3|       |K|             |                               |
+-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +
|     Extended payload length continued, if payload len == 127  |
+ - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+
|                               |Masking-key, if MASK set to 1  |
+-------------------------------+-------------------------------+
| Masking-key (continued)       |          Payload Data         |
+-------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - +
:                     Payload Data continued ...                :
+ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +
|                     Payload Data continued ...                |
+---------------------------------------------------------------+

字段说明​

FIN (1 bit)​

  • 0: 这不是消息的最后一帧（还有后续帧）
  • 1: 这是消息的最后一帧（或唯一帧）
消息分片示例:
帧1: FIN=0, Opcode=0x1 (Text), Data="Hello "
帧2: FIN=0, Opcode=0x0 (Continuation), Data="World"
帧3: FIN=1, Opcode=0x0 (Continuation), Data="!"

完整消息: "Hello World!"

RSV1, RSV2, RSV3 (各1 bit)​

  • 保留给扩展使用
  • 如果未协商扩展，必须 (MUST) 为0
  • 如果收到非零值且未定义扩展，必须 (MUST) 关闭连接

Opcode (4 bits)​

定义帧的类型：

Opcode类型说明
0x0Continuation延续帧（分片消息的后续帧）
0x1Text文本帧（UTF-8编码）
0x2Binary二进制帧
0x3-0x7-保留（数据帧）
0x8Close关闭帧
0x9PingPing帧
0xAPongPong帧
0xB-0xF-保留（控制帧）

MASK (1 bit)​

  • 客户端发送到服务器: 必须 (MUST) 为1
  • 服务器发送到客户端: 必须 (MUST) 为0

如果MASK=1，Payload Data必须使用Masking-key进行掩码。

Payload Length (7 bits, 7+16 bits, 或 7+64 bits)​

有效载荷长度的编码：

  • 0-125: 这就是实际长度
  • 126: 后续16位（2字节）为实际长度（网络字节序）
  • 127: 后续64位（8字节）为实际长度（网络字节序）
示例:
Payload长度 = 100字节
→ Payload len = 100 (直接编码)

Payload长度 = 1000字节
→ Payload len = 126
→ Extended payload length = 1000 (16位)

Payload长度 = 100000字节
→ Payload len = 127
→ Extended payload length = 100000 (64位)

Masking-key (0 或 4 bytes)​

如果MASK=1，包含32位（4字节）的掩码密钥。

Payload Data (x+y bytes)​

有效载荷数据 = Extension Data + Application Data

  • Extension Data: 长度x，由扩展协商决定，默认为0
  • Application Data: 长度y，实际的应用数据

5.3 Client-to-Server Masking (客户端到服务器的掩码)​

为什么需要掩码？​

安全原因: 防止缓存投毒攻击 (Cache Poisoning Attack)。某些中间代理可能错误地缓存WebSocket帧，掩码确保数据不可预测。

掩码算法​

客户端必须 (MUST) 使用以下算法掩码所有发送到服务器的帧：

1. 生成32位随机掩码密钥
2. 将掩码密钥放入帧头的Masking-key字段
3. 对Payload Data的每个字节应用掩码：

transformed-octet-i = original-octet-i XOR masking-key[i MOD 4]

算法实现 (JavaScript):

function maskData(data, maskingKey) {
  const masked = new Uint8Array(data.length);
  for (let i = 0; i < data.length; i++) {
    masked[i] = data[i] ^ maskingKey[i % 4];
  }
  return masked;
}

// 示例
const data = Buffer.from('Hello');
const maskingKey = Buffer.from([0x37, 0xfa, 0x21, 0x3d]);
const masked = maskData(data, maskingKey);

// 解码（使用相同算法）
const unmasked = maskData(masked, maskingKey); // 'Hello'

关键点:

  • XOR是自逆运算：(A XOR B) XOR B = A
  • 服务器使用相同算法解码
  • 每次发送帧必须使用新的随机密钥

5.4 Fragmentation (分片)​

大消息可以分成多个帧发送。

分片规则​

  1. 第一帧: FIN=0, Opcode=数据类型 (0x1或0x2)
  2. 中间帧: FIN=0, Opcode=0x0 (Continuation)
  3. 最后帧: FIN=1, Opcode=0x0 (Continuation)

分片示例​

发送消息 "Hello World!" 分三帧：

帧1:
  FIN = 0
  Opcode = 0x1 (Text)
  Payload = "Hello "

帧2:
  FIN = 0
  Opcode = 0x0 (Continuation)
  Payload = "World"

帧3:
  FIN = 1
  Opcode = 0x0 (Continuation)
  Payload = "!"

分片限制​

  • 控制帧 (Close, Ping, Pong) 禁止 (MUST NOT) 分片
  • 控制帧可以插入在分片的数据帧之间
  • 必须按顺序发送和接收分片

5.5 Control Frames (控制帧)​

控制帧用于通信连接状态。Opcode范围: 0x8-0xF。

5.5.1 Close (关闭帧)​

  • Opcode: 0x8
  • 可以包含关闭代码和原因
  • 详见第7章

5.5.2 Ping (Ping帧)​

  • Opcode: 0x9
  • 用途: 心跳检测，检查连接是否活跃
  • 可以携带应用数据（最多125字节）
  • 接收方必须 (MUST) 用Pong帧响应
客户端 → 服务器: Ping (Opcode=0x9)
服务器 → 客户端: Pong (Opcode=0xA, 相同Payload)

5.5.3 Pong (Pong帧)​

  • Opcode: 0xA
  • 用途: 响应Ping帧
  • 必须 (MUST) 包含Ping帧中的相同Payload
  • 也可以主动发送（单向心跳）

控制帧规则​

  1. 最大Payload长度: 125字节
  2. 不能 (MUST NOT) 分片
  3. 可以插入在分片的数据帧之间

5.6 Data Frames (数据帧)​

数据帧用于传输应用或扩展数据。Opcode范围: 0x0-0x2, 0x3-0x7保留。

Text Frame (文本帧)​

  • Opcode: 0x1
  • Payload必须是有效的UTF-8编码文本
  • 如果收到无效UTF-8，必须 (MUST) 关闭连接

Binary Frame (二进制帧)​

  • Opcode: 0x2
  • Payload可以是任意二进制数据
  • 应用层负责解释

5.7 Examples (示例)​

单帧未掩码文本消息​

0x81 0x05 0x48 0x65 0x6c 0x6c 0x6f
│    │    └─────────┬────────────┘
│    │              └─ "Hello" (5字节)
│    └─ Payload len = 5
└─ FIN=1, Opcode=0x1 (Text)

单帧掩码文本消息​

0x81 0x85 0x37 0xfa 0x21 0x3d 0x7f 0x9f 0x4d 0x51 0x58
│    │    └─────┬────────┘ └──────┬───────────┘
│    │          │                 └─ Masked "Hello"
│    │          └─ Masking key
│    └─ MASK=1, Payload len = 5
└─ FIN=1, Opcode=0x1 (Text)

分片消息​

帧1: 0x01 0x03 0x48 0x65 0x6c   // FIN=0, Text, "Hel"
帧2: 0x80 0x02 0x6c 0x6f        // FIN=1, Continuation, "lo"

完整消息: "Hello"

Ping帧​

0x89 0x05 0x48 0x65 0x6c 0x6c 0x6f
│    │    └─────────┬────────────┘
│    │              └─ "Hello" (可选数据)
│    └─ Payload len = 5
└─ FIN=1, Opcode=0x9 (Ping)

5.8 Extensibility (可扩展性)​

协议可通过以下方式扩展：

  1. Opcode: 0x3-0x7和0xB-0xF保留给未来使用
  2. RSV bits: 保留给扩展使用
  3. Extension Data: 扩展可以在Payload前添加数据

扩展必须通过握手协商（Sec-WebSocket-Extensions）。

参考链接​

Last updated on