微信协议交换、消息收发

微信技术总监解读微信架构的秘密

视频：http://djt.qq.com/video/9

PPT: http://djt.qq.com/bbs/cdnconnect.php?filename=05_WeiXinZhiDao_DJT.QQ.COM.zip

一。微信协议概览

微信传输协议，官方公布甚少，在微信技术总监所透漏PPT《微信之道—至简》文档中，有所体现。

纯个人理解：

因张小龙做邮箱Foxmail起家，继而又做了QQ Mail等，QQ Mail是国内第一个支持Exchange ActiveSync协议的免费邮箱，基于其从业背景，微信从一开始就采取基于ActiveSync的修改版状态同步协议Sync，也就再自然不过了。

一句话：增量式、按序、可靠的状态同步传输的微信协议。

如何获取新数据呢：

1. 服务器端通知，客户端获取
2. 客户端携带最新的SyncKey，发起数据请求
3. 服务器端生成最新的SyncKey连同最新数据发送给客户端
4. 基于版本号机制同步协议，可确保数据增量、有序传输
5. SyncKey，由服务器端序列号生成器生成，一旦有新消息产生，将会产生最新的SyncKey。类似于版本号

服务器端通知有状态更新，客户端主动获取自从上次更新之后有变动的状态数据，增量式，顺序式。

二。微信Web端简单调试

在线版本微信：

https://webpush.weixin.qq.com/

通过Firefox + Firebug组合调试，也能证实了微信大致通过交换SyncKey方式获取新数据的论述。

1. 发起GET长连接检测是否存在新的需要同步的数据

会携带上最新SyncKey

https://webpush.weixin.qq.com/cgi-bin/mmwebwx-bin/synccheck?callback=jQuery18306073923335455973_1393208247730&r=1393209241862&sid=s7c%2FsxpGRSihgZAA&uin=937355&deviceid=e542565508353877&synckey=1_620943725%7C2_620943769%7C3_620943770%7C11_620942796%7C201_1393208420%7C202_1393209127%7C1000_1393203219&_=1393209241865

返回内容：

window.synccheck={retcode:"0",selector:"2"}

selector值大于0，表示有新的消息需要同步。

据目测，心跳周期为27秒左右。

2. 一旦有新数据，客户端POST请求主动获取同步的数据

https://webpush.weixin.qq.com/cgi-bin/mmwebwx-bin/webwxsync?sid=s7c%2FsxpGRSihgZAA&r=1393208447375

携带消息体：

{"BaseRequest":{"Uin":937355,"Sid":"s7c/sxpGRSihgZAA"},"SyncKey":{"Count":6,"List":[{"Key":1,"Val":620943725},{"Key":2,"Val":620943767},{"Key":3,"Val":620943760},{"Key":11,"Val":620942796},{"Key":201,"Val":1393208365},{"Key":1000,"Val":1393203219}]},"rr":1393208447374}

会携带上最新的SyncKey，会返回复杂结构体JSON内容。

但浏览端收取到消息之后，如何通知服务器端已确认收到了？Web版本微信，没有去做。

在以往使用过程中，曾发现WEB端有丢失消息的现象，但属于偶尔现象。但Android微信客户端（只要登陆连接上来之后）貌似就没有丢失过。

3. 发送消息流程

1. 发起一个POST提交，用于提交用户需要发送的消息

   https://webpush.weixin.qq.com/cgi-bin/mmwebwx-bin/webwxsendmsg?sid=lQ95vHR52DiaLVqo&r=1393988414386

发送内容：

{"BaseRequest":{"Uin":937355,"Sid":"lQ95vHR52DiaLVqo","Skey":"A6A1ECC6A7DE59DEFF6A05F226AA334DECBA457887B25BC6","DeviceID":"e937227863752975"},"Msg":{"FromUserName":"yongboy","ToUserName":"hehe057854","Type":1,"Content":"hello","ClientMsgId":1393988414380,"LocalID":1393988414380}}

相应内容：

{ "BaseResponse": { "Ret": 0, "ErrMsg": "" } , "MsgID": 1020944348, "LocalID": "1393988414380" }

1. 再次发起一个POST请求，用于申请最新SyncKey

   https://webpush.weixin.qq.com/cgi-bin/mmwebwx-bin/webwxsync?sid=lQ95vHR52DiaLVqo&r=1393988414756

发送内容：

{"BaseRequest":{"Uin":937355,"Sid":"lQ95vHR52DiaLVqo"},"SyncKey":{"Count":6,"List":[{"Key":1,"Val":620944310},{"Key":2,"Val":620944346},{"Key":3,"Val":620944344},{"Key":11,"Val":620942796},{"Key":201,"Val":1393988357},{"Key":1000,"Val":1393930108}]},"rr":1393988414756}

响应的（部分）内容：

"SKey": "8F8C6A03489E85E9FDF727ACB95C93C2CDCE9FB9532FC15B"

1. 终止GET长连接，使用最新SyncKey再次发起一个新的GET长连接

   https://webpush.weixin.qq.com/cgi-bin/mmwebwx-bin/synccheck?callback=jQuery1830245810089652082181393988305564&r=1393988415015&sid=lQ95vHR52DiaLVqo&uin=937355&deviceid=e937227863752975&synckey=1620944310%7C2620944348%7C3620944344%7C11620942796%7C2011393988357%7C10001393930108&=1393988415016

三。微信Android简单分析

Windows桌面端Android虚拟机中运行最新版微信(5.2)，通过tcpdump/Wireshark组合封包分析，以下为分析结果。

0. 初始连接记录

简单记录微信启动之后请求：

11:20:35 dns查询  dns.weixin.qq.com 返回一组IP地址  11:20:35 DNS查询 long.weixin.qq.com 返回一组IP地址，本次通信中，微信使用了最后一个IP作为TCP长连接的连接地址。  11:20:35 http://dns.weixin.qq.com/cgi-bin/micromsg-bin/newgetdns?uin=0&clientversion=620888113&scene=0&net=1 用于请求服务器获得最优IP路径。服务器通过结算返回一个xml定义了域名:IP对应列表。仔细阅读，可看到微信已经开始了国际化的步伐：香港、加拿大、韩国等。 具体文本，请参考：https://gist.github.com/yongboy/9341884  11:20:35 获取到long.weixin.qq.com最优IP，然后建立到101.227.131.105的TCP长连接  11:21:25 POST http://short.weixin.qq.com/cgi-bin/micromsg-bin/getprofile HTTP/1.1  (application/octet-stream) 返回一个名为“micromsgresp.dat”的附件，估计是未阅读的离线消息  11:21:31 POST http://short.weixin.qq.com/cgi-bin/micromsg-bin/whatsnews HTTP/1.1  (application/octet-stream) 大概是资讯、订阅更新等  中间进行一些资源请求等，类似于 GET http://wx.qlogo.cn/mmhead/Q3auHgzwzM7NR4TYFcoNjbxZpfO9aiaE7RU5lXGUw13SMicL6iacWIf2A/96 图片等一些静态资源都会被分配到wx.qlogo.cn域名下面  不明白做什么用途 POST http://short.weixin.qq.com/cgi-bin/micromsg-bin/downloadpackage HTTP/1.1  (application/octet-stream) 输出为micromsgresp.dat文件  11:21:47 GET http://support.weixin.qq.com/cgi-bin/mmsupport-bin/reportdevice?channel=34&deviceid=A952001f7a840c2a&clientversion=620888113&platform=0&lang=zh_CN&installtype=0 HTTP/1.1  返回chunked分块数据  11:21:49 POST http://short.weixin.qq.com/cgi-bin/micromsg-bin/reportstrategy HTTP/1.1  (application/octet-stream)

1. 心跳频率约为5分钟

上次使用Wireshark分析有误（得出18分钟结论），再次重新分析，心跳频率在5分钟左右。

2. 登陆之后，会建立一个长连接，端口号为8080

简单目测为HTTP，初始以为是双通道HTTP，难道是自定义的用于双通道通信的HTTP协议吗，网络上可见资料都是模棱两可、语焉不详。

具体查看长连接初始数据通信，没有发现任何包含"HTTP"字样的数据，以为是微信自定义的TCP/HTTP通信格式。据分析，用于可能用于获取数据、心跳交换消息等用途吧。这个后面会详谈微信是如何做到的。

2.0 初始消息传输

个人资料、离线未阅读消息部分等通过 POST HTTP短连接单独获取。

2.1 二进制简单分析

抽取微信某次HTTP协议方式通信数据，16进制表示，每两个靠近的数字为一个byte字节：

微信协议可能如下：

一个消息包 = 消息头 + 消息体

消息头固定16字节长度，消息包长度定义在消息头前4个字节中。

单纯摘取第0000行为例，共16个字节的头部:

00 00 00 10 00 10 00 01 00 00 00 06 00 00 00 0f

16进制表示，每两个紧挨着数字代表一个byte字节。

微信消息包格式： 1. 前4字节表示数据包长度，可变 值为16时，意味着一个仅仅包含头部的完整的数据包（可能表示着预先定义好的业务意义），后面可能还有会别的消息包 2. 2个字节表示头部长度，固定值，0x10 = 16 3. 2个字节表示谢意版本，固定值，0x01 = 1 4. 4个字节操作说明数字，可变 5. 序列号，可变 6. 头部后面紧跟着消息体，非明文，加密形式 7. 一个消息包，最小16 byte字节

通过上图（以及其它数据多次采样）分析：

1. 0000 - 0040为单独的数据包
2. 0050行为下一个数据包的头部，前四个字节值为0xca = 202，表示包含了从0050-0110共202个字节数据
3. 一次数据发送，可能包含若干子数据包
4. 换行符\n，16进制表示为0x0a，在00f0行，包含了两个换行符号
5. 一个数据体换行符号用于更细粒度的业务数据分割 是否蒙对，需要问问做微信协议的同学
6. 所有被标记为HTTP协议通信所发送数据都包含换行符号

2.2 动手试试猜想，模拟微信TCP长连接

开始很不解为什么会出现如此怪异的HTTP双通道长连接请求，难道基于TCP通信，然后做了一些手脚？很常规的TCP长连接，传输数据时(不是所有数据传输)，被wireshark误认为HTTP长连接。这个需要做一个实验证实一下自己想法，设想如下：

写一个Ping-Pong客户端、服务器端程序，然后使用Wireshark看一下结果，是否符合判断。

Java版本的请求端，默认请求8080端口：

/**
 * Ping Client
 * @author nieyong
 */
package com.learn;
 
import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.PooledByteBufAllocator;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
 
import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
class PingClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
private final ByteBuf firstMessage;
 
public PingClientHandler() {
firstMessage = PooledByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(22);
 
// weixin 16 byte's header
firstMessage.writeByte(0);
firstMessage.writeByte(0);
firstMessage.writeByte(0);
firstMessage.writeByte(16);
 
firstMessage.writeByte(0);
firstMessage.writeByte(16);
 
firstMessage.writeByte(0);
firstMessage.writeByte(1);
 
firstMessage.writeByte(0);
firstMessage.writeByte(0);
firstMessage.writeByte(0);
firstMessage.writeByte(6);
 
firstMessage.writeByte(0);
firstMessage.writeByte(0);
firstMessage.writeByte(0);
firstMessage.writeByte(1);
 
// just for /n
firstMessage.writeByte('\n'); // 1 byte
 
// footer 16 byte
String welcome = "hello"; // 5 byte
firstMessage.writeBytes(welcome.getBytes());
}
 
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) {
ctx.writeAndFlush(firstMessage);
}
 
@Override
public void channelRead(final ChannelHandlerContext ctx, final Object msg)
throws Exception {
ctx.executor().schedule(new Runnable() {
@Override
public void run() {
ctx.channel().writeAndFlush(msg);
}
}, 1, TimeUnit.SECONDS);
}
 
@Override
public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
ctx.flush();
}
 
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
System.err.println("Unexpected exception from downstream :"
+ cause.getMessage());
ctx.close();
}
}
 
public class PingClient {
 
private final String host;
private final int port;
 
public PingClient(String host, int port) {
this.host = host;
this.port = port;
}
 
public void run() throws Exception {
EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
try {
Bootstrap b = new Bootstrap();
b.group(group).channel(NioSocketChannel.class)
.option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch)
throws Exception {
ch.pipeline().addLast(new PingClientHandler());
}
});
 
ChannelFuture f = b.connect(host, port).sync();
 
f.channel().closeFuture().sync();
} finally {
// Shut down the event loop to terminate all threads.
group.shutdownGracefully();
}
}
 
public static void main(String[] args) throws Exception {
String host = "127.0.0.1";
int port = 8080;
 
if (args.length == 3) {
host = args[0];
port = Integer.parseInt(args[1]);
}
 
new PingClient(host, port).run();
}
}

C语言版本的服务器程序，收到什么发送什么，没有任何逻辑，默认绑定8080端口：

/**
 * nieyong@youku.com
 * how to compile it:
 * gcc pong_server.c -o pong_server /usr/local/lib/libev.a -lm 
 */
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <err.h>
#include <unistd.h>
 
#include "../include/ev.h"
 
static int server_port = 8080;
 
struct ev_loop *loop;
typedef struct {
int fd;
ev_io ev_read;
} client_t;
 
ev_io ev_accept;
 
static void free_res(struct ev_loop *loop, ev_io *ws);
 
int setnonblock(int fd) {
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
if (flags < 0)
return flags;
 
flags |= O_NONBLOCK;
if (fcntl(fd, F_SETFL, flags) < 0)
return -1;
 
return 0;
}
 
static void read_cb(struct ev_loop *loop, ev_io *w, int revents) {
client_t *client = w->data;
int r = 0;
char rbuff[1024];
if (revents & EV_READ) {
r = read(client->fd, &rbuff, 1024);
}
 
if (EV_ERROR & revents) {
fprintf(stderr, "error event in read\n");
free_res(loop, w);
return ;
}
 
if (r < 0) {
fprintf(stderr, "read error\n");
ev_io_stop(EV_A_ w);
free_res(loop, w);
return;
}
 
if (r == 0) {
fprintf(stderr, "client disconnected.\n");
ev_io_stop(EV_A_ w);
free_res(loop, w);
return;
}
 
send(client->fd, rbuff, r, 0);
}
 
static void accept_cb(struct ev_loop *loop, ev_io *w, int revents) {
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
int client_fd = accept(w->fd, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_len);
if (client_fd == -1) {
fprintf(stderr, "the client_fd is  NULL !\n");
return;
}
 
client_t *client = malloc(sizeof(client_t));
client->fd = client_fd;
if (setnonblock(client->fd) < 0)
err(1, "failed to set client socket to non-blocking");
 
client->ev_read.data = client;
 
ev_io_init(&client->ev_read, read_cb, client->fd, EV_READ);
ev_io_start(loop, &client->ev_read);
}
 
int main(int argc, char const *argv[]) {
int ch;
while ((ch = getopt(argc, argv, "p:")) != -1) {
switch (ch) {
case 'p':
server_port = atoi(optarg);
break;
}
}
 
loop = ev_default_loop(0);
struct sockaddr_in listen_addr;
int reuseaddr_on = 1;
int listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (listen_fd < 0)
err(1, "listen failed");
if (setsockopt(listen_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuseaddr_on, sizeof(reuseaddr_on)) == -1)
err(1, "setsockopt failed");
 
memset(&listen_addr, 0, sizeof(listen_addr));
listen_addr.sin_family = AF_INET;
listen_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
listen_addr.sin_port = htons(server_port);
 
if (bind(listen_fd, (struct sockaddr *) &listen_addr, sizeof(listen_addr)) < 0)
err(1, "bind failed");
if (listen(listen_fd, 5) < 0)
err(1, "listen failed");
if (setnonblock(listen_fd) < 0)
err(1, "failed to set server socket to non-blocking");
 
ev_io_init(&ev_accept, accept_cb, listen_fd, EV_READ);
ev_io_start(loop, &ev_accept);
ev_loop(loop, 0);
 
return 0;
}
 
static void free_res(struct ev_loop *loop, ev_io *w) {
client_t *client = w->data;
if (client == NULL) {
fprintf(stderr, "the client is NULL !!!!!!");
return;
}
 
ev_io_stop(loop, &client->ev_read);
close(client->fd);
free(client);
}

这里有一个现场图：

可以尝试稍微改变输出内容，去除换行符“\n”，把端口换成9000，试试看，就会发现Wireshark输出不同的结果来。

2.3 结论是什么呢？

若使用原始TCP进行双向通信，则需要满足以下条件，可以被类似于Wireshark协议拦截器误认为是HTTP长连接：

1. 使用80/8080端口（81/3128/8000经测试无效） 也许8080一般被作为WEB代理服务端口，微信才会享用这个红利吧。
2. 输出的内容中，一定要包含换行字符"\n"

因此，可以定性为微信使用了基于8080端口TCP长连接，一旦数据包中含有换行"\n"符号，就会被Wireshark误认为HTTP协议。可能微信是无心为之吧。

3. 新消息获取方式

1. TCP长连接接收到服务器通知有新消息需要获取
2. APP发起一个HTTP POST请求获取新状态消息，会带上当前SyncKey 地址为：http://short.weixin.qq.com/cgi-bin/micromsg-bin/reportstrategy HTTP/1.1，看不到明文
3. APP获取到新的消息，会再次发起一次HTTP POST请求，告诉服务器已确认收到，同时获取最新SyncKey 地址为：http://short.weixin.qq.com/cgi-bin/micromsg-bin/kvreport，看不到明文
4. 接受一个消息，TCP长连接至少交互两次，客户端发起两次HTTP POST请求 
   具体每次交互内容是什么，有些模糊
5. 服务器需要支持：状态消息获取标记，状态消息确认收取标记。只有被确认收到，此状态消息才算是被正确消费掉
6. 多个不同设备同一账号同时使用微信，同一个状态消息会会被同时分发到多个设备上

此时消息请求截图如下：

4. 发送消息方式

发送消息走已经建立的TCP长连接通道，发送消息到服务器，然后接受确认信息等，产生一次交互。

小伙伴接收到信息阅读也都会收到服务器端通知，产生一次交互等。

可以确定，微信发送消息走TCP长连接方式，因为不对自身状态数据产生影响，应该不交换SyncKey。

• 在低速网络下，大概会看到消息发送中的提示，属于消息重发机制
• 网络不好有时客户端会出现发送失败的红色感叹号
• 已发送到服务器但未收到确认的消息，客户端显示红色感叹号，再次重发，服务器作为重复消息处理，反馈确认
• 上传图片，会根据图片大小，分割成若干部分（大概1.5K被划分为一部分），同一时间点，客户端会发起若干次POST请求，各自上传成功之后，服务器大概会合并成一个完整图片，返回一个缩略图，显示在APP聊天窗口内。APP作为常规的文字消息发送到服务器端
• 上传音频，则单独走TCP通道，一个两秒的录制音频，客户端录制完毕，分为两块传输，一块最大1.5K左右，服务端响应一条数据通知确认收到。共三次数据传输。
  音频和纯文字信息一致，都是走TCP长连接，客户端发送，服务器端确认。

四。微信协议小结

1. 发布的消息对应一个ID（只要单个方向唯一即可，服务器端可能会根ID判断重复接收），消息重传机制确保有限次的重试，重试失败给予用户提示，发送成功会反馈确认，客户端只有收到确认信息才知道发送成功。发送消息可能不会产生新SyncKey。
2. 基于版本号（SynKey）的状态消息同步机制，增量、有序传输需求水到渠成。长连接通知/短连接获取、确认等，交互方式简单，确保了消息可靠谱、准确无误到达。
3. 客户端/服务器端都会存储消息ID处理记录，避免被重复消费客户端获取最新消息，但未确认，服务器端不会认为该消息被消费掉。下次客户端会重新获取，会查询当前消息是否被处理过。根据一些现象猜测。
4. 总体上看，微信协议跨平台（TCP或HTPP都可呈现，处理方式可统一），通过“握手”同步，很可靠，无论哪一个平台都可以支持的很好
5. 微信协议最小成本为16字节，大部分时间若干个消息包和在一起，批量传输。微信协议说不上最简洁，也不是最节省流量，但是非常成功的。
6. 若服务器检测到一些不确定因素，可能会导致微启用安全套接层SSL协议进行常规的TCP长连接传输。短连接都没有发生变化

以上，根据有限资料和数据拦截观察总结得出，啰啰嗦嗦，勉强凑成一篇，会存在一些不正确之处，欢迎给予纠正。在多次

五。附录

Microsoft Exchange Active Sync协议，简称EAS，分为folderrsync(同步文件夹目录，即邮箱内有哪几个文件夹)和sync（每个文件夹内有哪些文档）两部分。

某网友总结的协议一次回话大致示范：

Client:   synckey=0 //第一次key为0 Server:  newsynckey=1235434    //第一次返回新key 
Client:   synckey=1235434   //使用新key查询 Server:  newsynckey=1647645,data=*****//第一次查询，得到新key和数据 Client:   synckey=1647645 
Server:  newsynckey=5637535,data=null //第二次查询，无新消息 Client:   synckey=5637535 
Server: newsynckey=8654542, data=****//第三次查询，增量同步

• 上页中的相邻请求都是隔固定时间的，如两分钟
• 客户端每次使用旧key标记自己的状态，服务端每次将新key和增量数据一起返回。
• key是递增的，但不要求连续
• 请求的某个参数决定服务器是否立即返回

网页版：请求sync

Remote Address:101.227.131.107:443
Request URL:https://webpush.weixin.qq.com/cgi-bin/mmwebwx-bin/synccheck?skey=%40crypt_9d8701a_f204b64656015a7f443f93f205cf300f&callback=jQuery18305112716106232256_1408758017484&r=1408759718398&sid=wX205zFq194BSWgk&uin=1543895480&deviceid=e332282535847305&synckey=1_622457458%7C2_622458321%7C3_622458304%7C11_622457803%7C201_1408759529%7C1000_1408755736&_=1408759718399
Request Method:GET
Status Code:200 OK
Request Headersview source
Accept:*/*
Accept-Encoding:gzip,deflate,sdch
Accept-Language:zh-CN,zh;q=0.8,en;q=0.6
Connection:keep-alive
Cookie:ptui_loginuin=24310247; lv_irt_id=5834d0f4739e45237a0babe53bb25d48; pt2gguin=o0024310247; uin=o0024310247; skey=@nNtzDnsWb; ptisp=ctc; RK=pI8K3SSgaz; ptcz=7e77bcbdd43d84b42d1aecace2c70ea7918b90f679fae6c4320dc3610f44494b; pgv_info=ssid=s7626563765; pgv_pvid=1130740238; o_cookie=24310247; pgv_pvi=6056579072; pgv_si=s1338950656; wxstaytime=1408757408
Host:webpush.weixin.qq.com
Referer:https://wx.qq.com/
User-Agent:Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/35.0.1916.153 Safari/537.36
Query String Parametersview sourceview URL encoded
skey:@crypt_9d8701a_f204b64656015a7f443f93f205cf300f
callback:jQuery18305112716106232256_1408758017484
r:1408759718398
sid:wX205zFq194BSWgk
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