依赖注入与控制反转（IoC）容器的原理与实现（重复题目，已覆盖）

WebSocket 协议的原理与实现

描述
WebSocket 是一种在单个 TCP 连接上进行全双工通信的协议，允许服务端和客户端主动向对方推送数据，避免了 HTTP 轮询的开销。其核心原理是通过 HTTP 升级请求建立持久连接，之后以帧（Frame）格式传输数据。掌握 WebSocket 的实现机制对构建实时应用（如聊天、在线游戏）至关重要。

解题过程

1. 握手阶段（Handshake）

   • 客户端请求：客户端发送一个 HTTP 升级请求，包含头部字段：

     GET /chat HTTP/1.1
     Host: example.com
     Upgrade: websocket
     Connection: Upgrade
     Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==  # 随机生成的 16 字节 Base64 编码
     Sec-WebSocket-Version: 13
     

   • 服务端响应：服务端校验请求后，返回状态码 101（Switching Protocols），并生成响应密钥：

     HTTP/1.1 101 Switching Protocols
     Upgrade: websocket
     Connection: Upgrade
     Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=  # 基于客户端的 Key 计算得出
     

     • 计算方式：将客户端的 Sec-WebSocket-Key 拼接固定 GUID "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"，然后进行 SHA-1 哈希，最后 Base64 编码。

2. 数据帧格式（Frame Protocol）
   握手成功后，双方通过二进制帧通信。一个帧的格式如下（单位：位）：

   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 ...                |
   +---------------------------------------------------------------+
   

   • 关键字段：
     • FIN（1 位）：标记是否为消息的最后一帧。
     • opcode（4 位）：帧类型（如 1=文本，2=二进制，8=关闭连接）。
     • MASK（1 位）：客户端发往服务端的帧必须掩码（服务端发往客户端无需掩码）。
     • Payload Len（7 位）：数据长度。若长度≥126，则后续扩展字节表示真实长度。
     • Masking-key（4 字节）：仅当 MASK=1 时存在，用于解码载荷数据。

3. 掩码解码与编码

   • 客户端发送：数据需用 Masking-key 异或编码。解码公式：

     decoded[i] = payload[i] XOR masking_key[i % 4]
     

   • 服务端发送：无需掩码，直接发送原始数据。

4. 实现要点

   • 服务端示例（伪代码）：

     # 1. 握手响应
     def handle_handshake(request):
         key = request.headers['Sec-WebSocket-Key']
         accept_key = base64encode(sha1(key + GUID))
         response = f"HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\nUpgrade: websocket\r\nConnection: Upgrade\r\nSec-WebSocket-Accept: {accept_key}\r\n\r\n"
         socket.send(response)
     
     # 2. 解析帧
     def parse_frame(data):
         fin = (data[0] & 0x80) == 0x80
         opcode = data[0] & 0x0F
         masked = (data[1] & 0x80) == 0x80
         payload_len = data[1] & 0x7F
         offset = 2
         if payload_len == 126:
             payload_len = (data[2] << 8) + data[3]
             offset += 2
         elif payload_len == 127:
             payload_len = ...  # 处理 64 位长度
             offset += 8
         if masked:
             masking_key = data[offset:offset+4]
             offset += 4
             payload = data[offset:offset+payload_len]
             # 应用掩码解码
             decoded = bytearray(payload[i] ^ masking_key[i % 4] for i in range(len(payload)))
         return decoded
     

   • 心跳机制（Ping/Pong）：通过 opcode 9（Ping）和 10（Pong）保持连接活跃。

5. 应用场景

   • 实时消息推送（如聊天室、通知系统）。
   • 多玩家在线游戏、协同编辑工具。
   • 金融行情实时更新。

总结
WebSocket 通过轻量级的帧协议实现高效双向通信，避免了 HTTP 的轮询延迟。理解其握手过程、帧结构及掩码机制，是实现自定义 WebSocket 服务或调试实时应用的基础。