基于node实现websocket协议

时间：2021-05-25

一、协议
WebSocket是一种基于TCP之上的客户端与服务器全双工通讯的协议，它在HTML5中被定义，也是新一代webapp的基础规范之一。

它突破了早先的AJAX的限制，关键在于实时性，服务器可以主动推送内容 到客户端！可能的应用有：多人在线游戏，即时聊天，实时监控，远程桌面，新闻服务器等等。

对于我自己，当前最想尝试的是canvas+websocket组合起来能做什么。

二、实现
由于握手的过程是一个标准的HTTP请求，因此 websocket 的实现有两种选择：1）TCP上实现； 2) 现有HTTP软件上实现。后者的优势在于可以共用现有的HTTP服务器端口，并且不用重新实现认证功能和解析HTTP请求的功能。

这个示例中使用的 node 的HTTP模块。（TCP版及所有文件见 附件）

1、node服务器端代码：

var http = require('http');var url = require('url');// var mime = require('mime');var crypto = require('crypto');var port = 4400;var server = http.createServer(); server.listen(port,function() { console.log('server is running on localhost:',port); server .on('connection',function(s) { console.log('on connection ',s); }) .on('request',onrequest) .on('upgrade',onupgrade); });var onrequest = function(req,res) { console.log( Object.keys(req) ,req.url,req['upgrade']); if( !req.upgrade ){ // 非upgrade请求选择：中断或提供普通网页 res.writeHead(200, { 'content-type': 'text/plain' }); res.write( 'WebSocket server works!' ); } res.end(); return;};var onupgrade = function (req,sock,head) { // console.log('方法:',Object.keys(sock)); if(req.headers.upgrade !== 'WebSocket'){ console.warn('非法连接'); sock.end(); return; } bind_sock_event(sock); try{ handshake(req,sock,head); }catch(e){ console.error(e); sock.end(); }};// 包装将要发送的帧var wrap = function(data) { var fa = 0x00, fe = 0xff, data = data.toString() len = 2+Buffer.byteLength(data), buff = new Buffer(len); buff[0] = fa; buff.write(data,1); buff[len-1] = fe; return buff;}// 解开接收到的帧var unwrap = function(data) { return data.slice(1,data.length-1);}var bind_sock_event = function(sock) { sock .on('data',function(buffer) { var data = unwrap(buffer); console.log('socket receive data : ',buffer,data,'\n>>> '+data); // send('hello html5,'+Date.now()) sock.emit('send',data); }) .on('close',function() { console.log('socket close'); }) .on('end',function() { console.log('socket end'); }) .on('send',function(data) { //自定义事件 sock.write(wrap(data),'binary'); })};var get_part = function(key) { var empty = '', spaces = key.replace(/\S/g,empty).length, part = key.replace(/\D/g,empty); if(!spaces) throw {message:'Wrong key: '+key,name:'HandshakeError'} return get_big_endian(part / spaces);}var get_big_endian = function(n) { return String.fromCharCode.apply(null,[3,2,1,0].map(function(i) { return n >> 8*i & 0xff }))}var challenge = function(key1,key2,head) { var sum = get_part(key1) + get_part(key2) + head.toString('binary'); return crypto.createHash('md5').update(sum).digest('binary');}var handshake = function(req,sock,head) { var output = [],h = req.headers, br = '\r\n'; // header output.push( 'HTTP/1.1 101 WebSocket Protocol Handshake','Upgrade: WebSocket','Connection: Upgrade', 'Sec-WebSocket-Origin: ' + h.origin, 'Sec-WebSocket-Location: ws://' + h.host + req.url, 'Sec-WebSocket-Protocol: my-custom-chat-protocol'+br ); // body var c = challenge(h['sec-websocket-key1'],h['sec-websocket-key2'],head); output.push(c); sock.write(output.join(br),'binary');}

2、浏览器客户端代码：

<html><head> <title>WebSocket Demo</title></head><style type="text/css"> textarea{width:400px;height:150px;display:block;overflow-y:scroll;} #output{width:600px;height:400px;background:whiteSmoke;padding:1em .5em;color:#000;border:none;} button{padding:.2em 1em;}</style><link href="layout.css" rel="stylesheet" type="text/css" /> <body><textarea id="output" readonly="readonly"></textarea><br><textarea id="input"></textarea><button id="send">send</button><script type="text/javascript">// localhostvar socket = new WebSocket('ws://192.168.144.131:4400/')socket.onopen = function(e) { log(e.type); socket.send('hello node');}socket.onclose = function(e) { log(e.type);}socket.onmessage = function(e) { log('receive @ '+ new Date().toLocaleTimeString() +'\n'+e.data); output.scrollTop = output.scrollHeight}socket.onclose = function(e) { log(e.type);}socket.addEventListener('close',function() { log('a another close event handler..');},false);// domvar id = function(id) { return document.getElementById(id);}var output = id('output'), input = id('input'), send = id('send');var log = function(msg) { output.textContent += '> '+msg + '\n'}send.addEventListener('click',function() { socket.send(input.value);},false);</script></body></html>

三、细节
在 http 协议之上的 websocket 协议实现只有两步：握手，发送数据。

1、握手
握手的过程被称为 challenge-response。首先客户端发起一个名为Upgrade的HTTP GET请求，服务器验证此请求，给出101响应以表示接受此次协议升级，握手即完成了。

chrome inspector美化过的握手信息：

RequestURL:ws://192.168.144.131:4400/pub/chat?q=me
Request Method:GET
Status Code:101 WebSocket Protocol Handshake

Request Headers
Connection:Upgrade
Host:192.168.144.131:4400
Origin:http://localhost:800
Sec-WebSocket-Key1:p2 G 947T 80 661 jAf2
Sec-WebSocket-Key2:z Z Q ^326 5 9= 7s1 1 7H4
Sec-WebSocket-Protocol::my-custom-chat-protocol
Upgrade:WebSocket
(Key3):7C:44:56:CA:1F:19:D2:0A

Response Headers
Connection:Upgrade
Sec-WebSocket-Location:ws://192.168.144.131:4400/pub/chat?q=me
Sec-WebSocket-Origin:http://localhost:800
Sec-WebSocket-Protocol:my-custom-chat-protocol
Upgrade:WebSocket
(Challenge Response):52:DF:2C:F4:50:C2:8E:98:14:B7:7D:09:CF:C8:33:40

请求头部分

Host: websocket服务器主机
Connection: 连接类型
Upgrade: 协议升级类型
Origin: 访问来源
Sec-WebSocket-Protocol: 可选，子协议名称，由应用自己定义，多个协议用空格分割。(*另外一个仅剩的可选项是cookie)
Sec-WebSocket-Key1: 安全认证key，xhr请求不能伪造'sec-'开头的请求头。
Sec-WebSocket-Key2: 同上
Key3: 响应体内容,8字节随机。
响应头部分

Sec-WebSocket-Protocol: 必须包含请求的子协议名
Sec-WebSocket-Origin: 必须等于请求的来源
Sec-WebSocket-Location: 必须等于请求的地址
Challenge Response: 响应体内容，根据请求中三个key计算得来，16字节。
应答字符串计算过程伪代码:

part_1 = key1中所有数字 / key1中空格数量part_2 同上sum = big_endian(part_1)+big_endian(part_2)+key3challenge_response = md5_digest(sum);

32位整数的big_endian计算策略：

# 很类似于rgba颜色计算,从下面的函数可以看出计算过程var big_endian = function(n) { return [3,2,1,0].map(function(i) { return n >> 8*i & 0xff });}big_endian(0xcc77aaff);// -> [204, 119, 170, 255]

2、发送数据
WebSocket API的被设计成用事件处理数据，客户端只要得到事件通知就可以获取到完整的数据，而不需要手动处理缓冲器。

这种情况下，每一笔数据被称为一帧。在规范的定义中，它的头部必须以0x00开始，尾部属性以0xff结束，这样每一次数据发送至少有两个字节。

服务器实现中，收到数据时要截掉头尾；而发送数据是要包装头尾。格式如下：

# '你好'的原始二进制表示，请求头和这里都是utf8编码
<Buffer e4 bd a0 e5 a5 bd>
# 包装后的二进制表示。
<Buffer 00 e4 bd a0 e5 a5 bd ff>

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助。

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