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实现一个websocket服务器-实践篇

早点时候翻译了篇实现一个websocket服务器-理论篇 ,简单介绍了下理论基础,本来打算放在一起,但是感觉太长了大家可能都看不下去。不过发现如果拆开的话,还是不可避免的要提及理论部分。用到的地方就简要回顾一下好了。

Websockt 基本通信流程

在具体代码实现之前,我们需要大概理一下思路。回顾一下websocket的理论部分。简单的websocket流程如下(这里就不谈详细的过程了,大概描述一下)

  1. 客户端发送握手请求
  2. 服务器响应、处理握手并返回
  3. 客户端验证通过后,发送数据
  4. 服务器接收、处理数据,然后返回给客户端
  5. 客户端接收服务器的推送

作为一个服务器而言,我们主要的精力需要放在2,4这两个步骤。

响应并处理握手

虽然websocket可以实现服务器推送,前提在于该连接已经建立。客户端仍然需要发起一个Websocket握手请求。 既然要响应该握手请求,我们需要了解一下该请求。

客户端握手请求

客户端的握手请求是一个标准的HTTP请求,大概像下面的例子。

GET / HTTP/1.1  //HTTP版本必须1.1及以上,请求方式为GET
Host: localhost:8081 //本地项目
Connection: Upgrade 
Pragma: no-cache
Cache-Control: no-cache
Upgrade: websocket //指定websocket协议
Origin: http://192.168.132.170:8000
Sec-WebSocket-Version: 13 //版本
User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_13_1) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/62.0.3202.94 Safari/537.36
Accept-Encoding: gzip, deflate, br
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9,en;q=0.8
Cookie: optimizelyEndUserId=oeu1505722530441r0.5993643212774391; _ga=GA1.1.557695983.1505722531
Sec-WebSocket-Key: /2R6uuzPqLT/6z8fnZfN3w==   //握手返回基于该密钥
Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits
  
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上面列出了实际例子中的请求头,内容由浏览器生成,需要注意的部分如下。

  • HTTP版本必须1.1及以上,请求方式为GET
  • Connection: Upgrade
  • Upgrade: websocket //指定websocket
  • Sec-WebSocket-Key 密钥 服务器处理握手的依据

我们服务器处理握手时需要关注的就是上面四点。

响应握手请求

服务器根据是否websocket的必须请求头,分下面两种情况:

  1. 不满足,作为http请求来响应。
  2. 满足,解析处理按照websocket规定的数据格式来响应

返回格式

    HTTP/1.1 101 Switching Protocols
    Upgrade: websocket
    Connection: Upgrade
    Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
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请注意每一个header以\r\n结尾并且在最后一个后面加入额外的\r\n。

这里的Sec-WebSocket-Accept 就是基于请求头中Sec-WebSocket-Key来生成。规则如下:
Sec-WebSocket-Key 和"258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"链接,通过SHA-1 hash获得结果,然后返回该结果的base64编码。 代码如下:

// 指定拼接字符
var ws_key = '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11';
// 生成相应key
function getAccpectKey(rSWKey) {
    return crypto.createHash('sha1').update(rSWKey + ws_key).digest('base64')
}
function handShake(socket, headers) {
    var reqSWKey = headers['Sec-WebSocket-Key'],
        resSWKey = getAccpectKey(reqSWKey)
    socket.write('HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n');
    socket.write('Upgrade: websocket\r\n');
    socket.write('Connection: Upgrade\r\n');
    socket.write('Sec-WebSocket-Accept: ' + resSWKey + '\r\n');
    socket.write('\r\n');
}
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这样我们的握手协议就算完成了,此时会触发客户端websocket的onopen事件,即websocket打开,可以进行通信

解析数据

客户端发送帧格式

握手协议完成之后,我们就该解析数据了,还是要把这张帧格式拿出来。

    帧格式:  
​​
      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 ...                |
     +---------------------------------------------------------------+

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每个从客户端发送到服务器的数据帧都遵循上面的格式。

  1. MASK位:只表明信息是否已进行掩码处理。来自客户端的消息必须经过处理,因此我们应该将其置为1

  2. opcode字段定义如何解析有效的数据:

    • 0x0 继续处理
    • 0x1 text(必须是UTF-8编码)
    • 0x2 二进制 和其他叫做控制代码的数据。
    • 0x3-0x7 0xB-0xF 该版本的WebSockets无意义
  3. FIN 表明是否是数据集合的最后一段消息,如果为0,服务器继续监听消息,以待消息剩余的部分。否则服务器认为消息已经完全发送。

  4. Payload len:有效数据长度

    • Payload len<126, 即为真实长度
    • 126,说明真实长度大于125,后面2个字节的值为真实长度
    • 127,真实长度大于65535,后面8字节值为真实长度

解析数据

所谓解析数据,肯定是基于上面的格式按照一定规则来进行处理。下面就是处理的规则。

  1. 获取有效数据长度
  2. 获取掩码并依据规则进行反序列化数据

直接看代码应该更加清晰。

// 解析接受的数据帧
function decodeFrame(buffer) {
    /**
     * >>> 7 右移操作,即字节右移7位,目的是为了即只取第一位的值
     * 10010030  ====>   00000001
     * & 按位与  同1为1    
     * 15二进制表示为:00001111  ,运算之后前四位即为0,得到后四位的值
     * 11011000 & 00001111  ===》  00001000
     *  
     */
    var fBite = buffer[0],
        /**
         * 获取Fin的值,
         * 1传输结束
         * 0 继续监听 
         */
        Fin = fBite >>> 7,
        /**
         * 获取opcode的值,opcode为fBite的4-7位
         * & 按位与  同1为1    
         * 15二进制表示为:00001111  ,运算之后前四位即为0,得到后四位的值
         */
        opcode = buffer[0] & 15,
        /**
         * 获取有效数据长度 
         */
        len = buffer[1] & 127,
        // 是否进行掩码处理,客户端请求必须为1
        Mask = buffer[1] >>> 7,
        maskKey = null
    // 获取数据长度
    //真实长度大于125,读取后面2字节
    if (len == 126) {
        len = buffer.readUInt16BE(2)
    } else if (len == 127) {
        // 真实长度大于65535,读取后面8字节
        len = buffer.readUInt64BE(2)
    }
    // 判断是否进行掩码处理
    Mask && (maskKey = buffer.slice(2,5))
    /**
     * 反掩码处理 
     * 循环遍历加密的字节(octets,text数据的单位)并且将其与第(i%4)位掩码字节(即i除以4取余)进行异或运算
     */
    if(Mask){
        for (var i = 2;i<len ;i++){
            buffer[i] = maskKey[(i - 2) % 4] ^ buffer[i];
        }
    }
    var data = buffer.slice(2)
    return {
        Fin:Fin,
        opcode:opcode,
        data:data
    }
}
复制代码

发送数据

处理完接收到的数据之后,下面就是发送响应了。 响应数据不需要进行掩码运算,只需要根据帧的格式(即上面的帧),将数据进行组装就好

// 加密发送数据
function encodeFrame(data){
    var len = Buffer.byteLength(data),
        // 2的64位
        payload_len = len > 65535 ?10:(len > 125 ? 4 : 2),
        buf = new Buffer(len+payload_len)
    /**
     * 首个字节,0x81 = 10000001 
     *对应的Fin 为1 opcode为001 mask 为0 
     * 即表明 返回数据为txt文本已经结束并未使用掩码处理
     */
    buf[0] = 0x81  
    /**
     * 根据真实数据长度设置payload_len位
     */        
    if(payload_len == 2){
        buf[1] = len
    }else if(payload_len == 4){
        buf[1] = 126;
        buf.writeUInt16BE(payload_len, 2);
    }else {
        buf[1] = 127;
        buf.writeUInt32BE(payload_len >>> 32, 2);
        buf.writeUInt32BE(payload_len & 0xFFFFFFFF, 6);
    }  
    buf.write(data, payload_len);
    return buf;
}    
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心跳响应

当收到opcode 为 9时即ping请求,直接返回具有完全相同有效数据的pong即可。 Pings的opcode为0x9,pong是0xA,所以可以直接如下

// ping请求
if(opcode == 9){
   console.log("ping相应");
   /**
    * ping pong最大长度为125,所以可以直接拼接
    * 前两位数据为10001010+数据长度
    * 即传输完毕的pong响应,数据肯定小于125
    */
    socke.write(Buffer.concat([new Buffer([0x8A, data.length]), data]))
}
复制代码

结束语

至此,一个websocket服务器的简单实现就完成了更多细节请查看。当然成熟的websocket库处理各种情况是比较完善的,更推荐大家使用,这里只是简单实践,更多的是满足一下自己的好奇心,知其然,也要知其所以然,希望大家共同学习和进步

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