细说WebSocket - Node篇 - Barret李靖

细说WebSocket - Node篇

2013-12-20 13:42 Barret李靖阅读(41525) 评论(21) 编辑收藏举报

在上一篇提高到了 web 通信的各种方式，包括轮询、长连接以及各种 HTML5 中提到的手段。本文将详细描述 WebSocket协议在 web通讯中的实现。

一、WebSocket 协议

1. 概述

websocket协议允许不受信用的客户端代码在可控的网络环境中控制远程主机。该协议包含一个握手和一个基本消息分帧、分层通过TCP。简单点说，通过握手应答之后，建立安全的信息管道，这种方式明显优于前文所说的基于 XMLHttpRequest 的 iframe 数据流和长轮询。该协议包括两个方面，握手链接（handshake）和数据传输（data transfer）。

2. 握手连接

这部分比较简单，就像路上遇到熟人问好。

Client：嘿，大哥，有火没？（烟递了过去）
Server：哈，有啊，来~ （点上）
Client：火柴啊，也行！（烟点上，验证完毕）

握手连接中，client 先主动伸手：

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13

客户端发了一串 Base64 加密的密钥过去，也就是上面你看到的 Sec-WebSocket-Key。 Server 看到 Client 打招呼之后，悄悄地告诉 Client 他已经知道了，顺便也打个招呼。

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

Server 返回了 Sec-WebSocket-Accept 这个应答，这个应答内容是通过一定的方式生成的。生成算法是：

mask  = "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11";  // 这是算法中要用到的固定字符串
accept = base64( sha1( key + mask ) );

key 和 mask 串接之后经过 SHA-1 处理，处理后的数据再经过一次 Base64 加密。分解动作：

1. t = "GhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==" + "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"
   -> "GhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"
2. s = sha1(t) 
   -> 0xb3 0x7a 0x4f 0x2c 0xc0 0x62 0x4f 0x16 0x90 0xf6 
      0x46 0x06 0xcf 0x38 0x59 0x45 0xb2 0xbe 0xc4 0xea
3. base64(s) 
   -> "s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo="

上面 Server 端返回的 HTTP 状态码是 101，如果不是 101 ，那就说明握手一开始就失败了~

下面就来个 demo，跟服务器握个手：

var crypto = require('crypto');

require('net').createServer(function(o){
    var key;
    o.on('data',function(e){
        if(!key){
            // 握手
            // 应答部分，代码先省略
            console.log(e.toString());
        }else{

        };
    });
}).listen(8000);

客户端代码：

var ws=new WebSocket("ws://127.0.0.1:8000");
ws.onerror=function(e){
  console.log(e);
};

上面当然是一串不完整的代码，目的是演示握手过程中，客户端给服务端打招呼。在控制台我们可以看到：

看起来很熟悉吧，其实就是发送了一个 HTTP 请求，这个我们在浏览器的 Network 中也可以看到：

但是 WebSocket协议并不是 HTTP 协议，刚开始验证的时候借用了 HTTP 的头，连接成功之后的通信就不是 HTTP 了，不信你用 fiddler2 抓包试试，肯定是拿不到的，后面的通信部分是基于 TCP 的连接。

服务器要成功的进行通信，必须有应答，往下看：

//服务器程序
var crypto = require('crypto');
var WS = '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11';
require('net').createServer(function(o){
    var key;
    o.on('data',function(e){
        if(!key){
            //握手
            key = e.toString().match(/Sec-WebSocket-Key: (.+)/)[1];
            key = crypto.createHash('sha1').update(key + WS).digest('base64');
            o.write('HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n');
            o.write('Upgrade: websocket\r\n');
            o.write('Connection: Upgrade\r\n');
            o.write('Sec-WebSocket-Accept: ' + key + '\r\n');
            o.write('\r\n');
        }else{
            console.log(e);
        };
    });
}).listen(8000);

关于crypto模块，可以看看官方文档，上面的代码应该是很好理解的，服务器应答之后，Client 拿到 Sec-WebSocket-Accept ，然后本地做一次验证，如果验证通过了，就会触发 onopen 函数。

//客户端程序
var ws=new WebSocket("ws://127.0.0.1:8000/");
ws.onopen=function(e){
    console.log("握手成功");
};

可以看到

3. 数据帧格式

官方文档提供了一个结构图

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

第一眼瞟到这张图恐怕是要吐血，如果大学修改计算机网络这门课应该不会对这东西陌生，数据传输协议嘛，是需要定义字节长度及相关含义的。

FIN      1bit 表示信息的最后一帧，flag，也就是标记符
RSV 1-3  1bit each 以后备用的 默认都为 0
Opcode   4bit 帧类型，稍后细说
Mask     1bit 掩码，是否加密数据，默认必须置为1 （这里很蛋疼）
Payload  7bit 数据的长度
Masking-key      1 or 4 bit 掩码
Payload data     (x + y) bytes 数据
Extension data   x bytes  扩展数据
Application data y bytes  程序数据

每一帧的传输都是遵从这个协议规则的，知道了这个协议，那么解析就不会太难了，下面我就直接拿了次碳酸钴同学的代码。

4. 数据帧的解析和编码

数据帧的解析代码：

function decodeDataFrame(e){
  var i=0,j,s,frame={
    //解析前两个字节的基本数据
    FIN:e[i]>>7,Opcode:e[i++]&15,Mask:e[i]>>7,
    PayloadLength:e[i++]&0x7F
  };
  //处理特殊长度126和127
  if(frame.PayloadLength==126)
    frame.PayloadLength=(e[i++]<<8)+e[i++];
  if(frame.PayloadLength==127)
    i+=4, //长度一般用四字节的整型，前四个字节通常为长整形留空的
    frame.PayloadLength=(e[i++]<<24)+(e[i++]<<16)+(e[i++]<<8)+e[i++];
  //判断是否使用掩码
  if(frame.Mask){
    //获取掩码实体
    frame.MaskingKey=[e[i++],e[i++],e[i++],e[i++]];
    //对数据和掩码做异或运算
    for(j=0,s=[];j<frame.PayloadLength;j++)
      s.push(e[i+j]^frame.MaskingKey[j%4]);
  }else s=e.slice(i,frame.PayloadLength); //否则直接使用数据
  //数组转换成缓冲区来使用
  s=new Buffer(s);
  //如果有必要则把缓冲区转换成字符串来使用
  if(frame.Opcode==1)s=s.toString();
  //设置上数据部分
  frame.PayloadData=s;
  //返回数据帧
  return frame;
}

decodeDataFrame Function

数据帧的编码：

//NodeJS
function encodeDataFrame(e){
  var s=[],o=new Buffer(e.PayloadData),l=o.length;
  //输入第一个字节
  s.push((e.FIN<<7)+e.Opcode);
  //输入第二个字节，判断它的长度并放入相应的后续长度消息
  //永远不使用掩码
  if(l<126)s.push(l);
  else if(l<0x10000)s.push(126,(l&0xFF00)>>8,l&0xFF);
  else s.push(
    127, 0,0,0,0, //8字节数据，前4字节一般没用留空
    (l&0xFF000000)>>6,(l&0xFF0000)>>4,(l&0xFF00)>>8,l&0xFF
  );
  //返回头部分和数据部分的合并缓冲区
  return Buffer.concat([new Buffer(s),o]);
}

encodeDataFrame Function

有些童鞋可能没有明白，应该解析哪些数据。这的解析任务主要是服务端处理，客户端送过去的数据是二进制流形式的，比如：

var ws = new WebSocket("ws://127.0.0.1:8000/"); 
ws.onopen = function(){ 
　　ws.send("握手成功"); 
};

Server 收到的信息是这样的：

一个放在Buffer格式的二进制流。而当我们输出的时候解析这个二进制流：

//服务器程序
var crypto = require('crypto');
var WS = '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11';
require('net').createServer(function(o){
    var key;
    o.on('data',function(e){
        if(!key){
            //握手
            key = e.toString().match(/Sec-WebSocket-Key: (.+)/)[1];
            key = crypto.createHash('sha1').update(key + WS).digest('base64');
            o.write('HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n');
            o.write('Upgrade: websocket\r\n');
            o.write('Connection: Upgrade\r\n');
            o.write('Sec-WebSocket-Accept: ' + key + '\r\n');
            o.write('\r\n');
        }else{
            // 输出之前解析帧
            console.log(decodeDataFrame(e));
        };
    });
}).listen(8000);

那输出的就是一个帧信息十分清晰的对象了：

5. 连接的控制

上面我买了个关子，提到的Opcode，没有详细说明，官方文档也给了一张表：

 |Opcode  | Meaning                             | Reference |
-+--------+-------------------------------------+-----------|
 | 0      | Continuation Frame                  | RFC 6455  |
-+--------+-------------------------------------+-----------|
 | 1      | Text Frame                          | RFC 6455  |
-+--------+-------------------------------------+-----------|
 | 2      | Binary Frame                        | RFC 6455  |
-+--------+-------------------------------------+-----------|
 | 8      | Connection Close Frame              | RFC 6455  |
-+--------+-------------------------------------+-----------|
 | 9      | Ping Frame                          | RFC 6455  |
-+--------+-------------------------------------+-----------|
 | 10     | Pong Frame                          | RFC 6455  |
-+--------+-------------------------------------+-----------|

decodeDataFrame 解析数据，得到的数据格式是：

{
    FIN: 1,
    Opcode: 1,
    Mask: 1,
    PayloadLength: 4,
    MaskingKey: [ 159, 18, 207, 93 ],
    PayLoadData: '握手成功'
}

那么可以对应上面查看，此帧的作用就是发送文本，为文本帧。因为连接是基于 TCP 的，直接关闭 TCP 连接，这个通道就关闭了，不过 WebSocket 设计的还比较人性化，关闭之前还跟你打一声招呼，在服务器端，可以判断frame的Opcode：

var frame=decodeDataFrame(e);
console.log(frame);
if(frame.Opcode==8){
    o.end(); //断开连接
}

客户端和服务端交互的数据（帧）格式都是一样的，只要客户端发送 ws.close()，服务器就会执行上面的操作。相反，如果服务器给客户端也发送同样的关闭帧(close frame)：

o.write(encodeDataFrame({
    FIN:1,
    Opcode:8,
    PayloadData:buf
}));

客户端就会相应 onclose 函数，这样的交互还算是有规有矩，不容易出错。

二、注意事项

1. WebSocket URIs

很多人可能只知道 ws://text.com:8888，但事实上 websocket 协议地址是可以加 path 和 query 的。

ws-URI = "ws:" "//" host [ ":" port ] path [ "?" query ]
wss-URI = "wss:" "//" host [ ":" port ] path [ "?" query ]

如果使用的是 wss 协议，那么 URI 将会以安全方式连接。这里的 wss 大小写不敏感。

2. 协议中"多余"的部分（吐槽）

握手请求中包含Sec-WebSocket-Key字段，明眼人一下就能看出来是websocket连接，而且这个字段的加密方式在服务器也是固定的，如果别人想黑你，不会太难。

再就是那个 MaskingKey 掩码，既然强制加密了（Mask为1表示加密，加密方式就是 MaskingKey 与 PayLoadData 进行异或处理），还有必要让开发者处理这个东西么？直接封装到内部不就行了？

3. 与 TCP 和 HTTP 之间的关系

WebSocket协议是一个基于TCP的协议，就是握手链接的时候跟HTTP相关（发了一个HTTP请求），这个请求被Server切换到（Upgrade）websocket协议了。websocket把 80 端口作为默认websocket连接端口，而websocket的运行使用的是443端口。

三、参考资料

http://tools.ietf.org/html/rfc6455 web standard - The WebSocket Protocol
http://www.w3.org/TR/websockets/ W3.ORG - WebSockets

四、特别感谢

再次感谢次碳酸钴跟我交流了几个小时 : )，本文部分 node 代码参考自他的博客。

下次将以php作为后台，讲解websocket的相关知识。

细说WebSocket-php篇

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