基于node实现websocket协议

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">
// localhost
var 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);

// dom
var 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:

Request URL: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)+key3
challenge_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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