细说WebSocket – Node篇


本文同步自我的博客园:http://hustskyking.cnblogs.com
P.S:文章代码格式错乱,也不知道是什么原因,还望@segmentFault的兄弟看下~

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"

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:
细说WebSocket - Node篇
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:
细说WebSocket - Node篇

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
细说WebSocket - Node篇

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,这里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.length=(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.length=(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;
    }

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)>>2,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)>>2,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]);
    }

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:
细说WebSocket - Node篇
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:
细说WebSocket - Node篇

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  |
-+--------+-------------------------------------+-----------|

次碳酸钴给出的解析函数,得到的数据格式是:

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

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

很多人可能只是到 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mask掩码,既然强制加密了,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


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