用 Node.js 手写 WebSocket 协议

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了用 Node.js 手写 WebSocket 协议。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

目录

引言

从 http 到 websocekt 的切换

Sec-WebSocket-Key 与 Sec-WebSocket-Accept

全新的二进制协议

自己实现一个 websocket 服务器

按照协议格式解析收到的Buffer

取出opcode

取出MASK与payload长度

根据mask key读取数据

根据类型处理数据

frame 帧

数据的发送

完整代码

总结


引言

        我们知道,http 是一问一答的模式,客户端向服务器发送 http 请求,服务器返回 http 响应。这种模式对资源、数据的加载足够用,但是需要数据推送的场景就不合适了。

        有同学说,http2 不是有 server push 么?那只是推资源用的:

用 Node.js 手写 WebSocket 协议,前端,node.js,websocket,网络协议

        比如浏览器请求了 html,服务端可以连带把 css 一起推送给浏览器。浏览器可以决定接不接收。对于即时通讯等实时性要求高的场景,就需要用 websocket 了。

从 http 到 websocekt 的切换

        websocket 严格来说和 http 没什么关系,是另外一种协议格式。但是需要一次从 http 到 websocekt 的切换过程。

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切换过程详细来说是这样的:

1. 请求的时候带上这几个 header:

Connection: Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Key: Ia3dQjfWrAug/6qm7mTZOg==

        前两个很容易理解,就是升级到 websocket 协议的意思。第三个 header 是保证安全用的一个 key。

2. 服务端返回这样的 header:

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Connection: Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Accept: JkE58n3uIigYDMvC+KsBbGZsp1A=

        和请求 header 类似,Sec-WebSocket-Accept 是对请求带过来的 Sec-WebSocket-Key 处理之后的结果。

        加入这个 header 的校验是为了确定对方一定是有 WebSocket 能力的,不然万一建立了连接对方却一直没消息,那不就白等了么。

Sec-WebSocket-Key 与 Sec-WebSocket-Accept

        那 Sec-WebSocket-Key 经过什么处理能得到 Sec-WebSocket-Accept 呢?我用 node 实现了一下,是这样的:

const crypto = require('crypto');

function hashKey(key) {
  const sha1 = crypto.createHash('sha1');
  sha1.update(key + '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11');
  return sha1.digest('base64');
}

        也就是用客户端传过来的 key,加上一个固定的字符串,经过 sha1 加密之后,转成 base64 的结果。

这个字符串 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 是固定的,不信你搜搜看:

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随便找个有 websocket 的网站,比如知乎就有:

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        过滤出 ws 类型的请求,看看这几个 header,是不是就是前面说的那些。这个 Sec-WebSocket-Key 是 wk60yiym2FEwCAMVZE3FgQ==

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而响应的 Sec-WebSocket-Accept 是 XRfPnS+8xl11QWZherej/dkHPHM=

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我们算算看:

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        是不是一毛一样!这就是 websocket 升级协议时候的 Sec-WebSocket-Key 对应的 Sec-WebSocket-Accept 的计算过程。

这一步之后就换到 websocket 的协议了,那是一个全新的协议。

全新的二进制协议

勾选 message 这一栏可以看到传输的消息,可以是文本、可以是二进制。

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全新的协议?那具体是什么样的协议呢?这样的:

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大家习惯的 http 协议是 key:value 的 header ,带个 body 的:

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        它是文本协议,每个 header 都是容易理解的字符。这样好懂是好懂,但是传输占的空间太大了。而 websocket 是二进制协议,一个字节可以用来存储很多信息:

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        比如协议的第一个字节(8个二进制bit位),就存储了 FIN(结束标志)、opcode(内容类型是 binary 还是 text) 等信息。

        第二个字节存储了 mask(是否有加密),payload(数据长度)。

        仅仅两个字节,存储了多少信息呀!这就是二进制协议比文本协议好的地方。

        我们看到的 weboscket 的 message 的收发,其实底层都是拼成这样的格式。

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只是浏览器帮我们解析了这种格式的协议数据。

        这就是 weboscket 的全部流程了。其实还是挺清晰的,一个切换协议的过程,然后是二进制的 weboscket 协议的收发。

自己实现一个 websocket 服务器

那我们就用 Node.js 自己实现一个 websocket 服务器吧!

1. 定义个 MyWebsocket 的 class:

const { EventEmitter } = require('events');
const http = require('http');

class MyWebsocket extends EventEmitter {
  constructor(options) {
    super(options);

    const server = http.createServer();
    server.listen(options.port || 8080);

    server.on('upgrade', (req, socket) => {
      
    });
  }
}

继承 EventEmitter 是为了可以用 emit 发送一些事件,外界可以通过 on 监听这个事件来处理。

        我们在构造函数里创建了一个 http 服务,当 ungrade 事件发生,也就是收到了 Connection: upgrade 的 header 的时候,返回切换协议的 header。

返回的 header 前面已经见过了,就是要对 sec-websocket-key 做下处理。

server.on('upgrade', (req, socket) => {
  this.socket = socket;
  socket.setKeepAlive(true);

  const resHeaders = [
    'HTTP/1.1 101 Switching Protocols',
    'Upgrade: websocket',
    'Connection: Upgrade',
    'Sec-WebSocket-Accept: ' + hashKey(req.headers['sec-websocket-key']),
    '',
    ''
  ].join('\r\n');
  socket.write(resHeaders);

  socket.on('data', (data) => {
    console.log(data)
  });
  socket.on('close', (error) => {
      this.emit('close');
  });
});

我们拿到 socket,返回上面的 header,其中 key 做的处理就是前面聊过的算法:

function hashKey(key) {
  const sha1 = crypto.createHash('sha1');
  sha1.update(key + '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11');
  return sha1.digest('base64');
}

就这么简单,就已经完成协议切换了。不信我们试试看。引入我们实现的 ws 服务器,跑起来:

const MyWebSocket = require('./ws');
const ws = new MyWebSocket({ port: 8080 });

ws.on('data', (data) => {
  console.log('receive data:' + data);
});

ws.on('close', (code, reason) => {
  console.log('close:', code, reason);
});

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然后新建这样一个 html:

<!DOCTYPE HTML>
<html>
<body>
    <script>
        const ws = new WebSocket("ws://localhost:8080");

        ws.onopen = function () {
            ws.send("发送数据");
            setTimeout(() => {
                ws.send("发送数据2");
            }, 3000)
        };

        ws.onmessage = function (evt) {
            console.log(evt)
        };

        ws.onclose = function () {
        };
    </script>
</body>

</html>

用浏览器的 WebSocket api 建立连接,发送消息。

用 npx http-server . 起个静态服务。然后浏览器访问这个 html:

这时打开 devtools 你就会发现协议切换成功了:

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这 3 个 header 还有 101 状态码都是我们返回的。message 里也可以看到发送的消息:

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再去服务端看看,也收到了这个消息:

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只不过是 Buffer 的,也就是二进制的。

按照协议格式解析收到的Buffer

取出opcode

        接下来只要按照协议格式解析这个 Buffer,并且生成响应格式的协议数据 Buffer 返回就可以收发 websocket 数据了。

这一部分还是比较麻烦的,我们一点点来看。

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我们需要第一个字节的后四位,也就是 opcode。

这样写:

const byte1 = bufferData.readUInt8(0);
let opcode = byte1 & 0x0f; 

读取 8 位无符号整数的内容,也就是一个字节的内容。参数是偏移的字节,这里是 0。

通过位运算取出后四位,这就是 opcode 了。

取出MASK与payload长度

然后再处理第二个字节:

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第一位是 mask 标志位,后 7 位是 payload 长度。

可以这样取:

const byte2 = bufferData.readUInt8(1);
const str2 = byte2.toString(2);
const MASK = str2[0];
let payloadLength = parseInt(str2.substring(1), 2);

还是用 buffer.readUInt8 读取一个字节的内容。

先转成二进制字符串,这时第一位就是 mask,然后再截取后 7 位的子串,parseInt 成数字,这就是 payload 长度了。

这样前两个字节的协议内容就解析完了。

有同学可能问了,后面咋还有俩 payload 长度呢?

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这是因为数据不一定有多长,可能需要 16 位存长度,可能需要 32 位。

于是 websocket 协议就规定了如果那个 7 位的内容不超过 125,那它就是 payload 长度。

如果 7 位的内容是 126,那就不用它了,用后面的 16 位的内容作为 payload 长度。

如果 7 位的内容是 127,也不用它了,用后面那个 64 位的内容作为 payload 长度。

其实还是容易理解的,就是 3 个 if else。

用代码写出来就是这样的:

let payloadLength = parseInt(str2.substring(1), 2);

let curByteIndex = 2;

if (payloadLength === 126) {
  payloadLength = bufferData.readUInt16BE(2);
  curByteIndex += 2;
} else if (payloadLength === 127) {
  payloadLength = bufferData.readBigUInt64BE(2);
  curByteIndex += 8;
}

这里的 curByteIndex 是存储当前处理到第几个字节的。

如果是 126,那就从第 3 个字节开始,读取 2 个字节也就是 16 位的长度,用 buffer.readUInt16BE 方法。

如果是 127,那就从第 3 个字节开始,读取 8 个字节也就是 64 位的长度,用 buffer.readBigUInt64BE 方法。

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这样就拿到了 payload 的长度,然后再用这个长度去截取内容就好了。

根据mask key读取数据

但在读取数据之前,还有个 mask 要处理,这个是用来给内容解密的:

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读 4 个字节,就是 mask key。

再后面的就可以根据 payload 长度读出来。

let realData = null;

if (MASK) {
  const maskKey = bufferData.slice(curByteIndex, curByteIndex + 4);  
  curByteIndex += 4;
  const payloadData = bufferData.slice(curByteIndex, curByteIndex + payloadLength);
  realData = handleMask(maskKey, payloadData);
} else {
  realData = bufferData.slice(curByteIndex, curByteIndex + payloadLength);;
}

然后用 mask key 来解密数据。

这个算法也是固定的,用每个字节的 mask key 和数据的每一位做按位异或就好了:

function handleMask(maskBytes, data) {
  const payload = Buffer.alloc(data.length);
  for (let i = 0; i < data.length; i++) {
    payload[i] = maskBytes[i % 4] ^ data[i];
  }
  return payload;
}

这样,我们就拿到了最终的数据!

根据类型处理数据

但是传给处理程序之前,还要根据类型来处理下,因为内容分几种类型,也就是 opcode 有几种值:

const OPCODES = {
  CONTINUE: 0,
  TEXT: 1, // 文本
  BINARY: 2, // 二进制
  CLOSE: 8,
  PING: 9,
  PONG: 10,
};

我们只处理文本和二进制就好了:

handleRealData(opcode, realDataBuffer) {
    switch (opcode) {
      case OPCODES.TEXT:
        this.emit('data', realDataBuffer.toString('utf8'));
        break;
      case OPCODES.BINARY:
        this.emit('data', realDataBuffer);
        break;
      default:
        this.emit('close');
        break;
    }
}

文本就转成 utf-8 的字符串,二进制数据就直接用 buffer 的数据。

这样,处理程序里就能拿到解析后的数据。

我们来试一下:

之前我们已经能拿到 weboscket 协议内容的 buffer 了:

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而现在我们能正确解析出其中的数据:

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至此,我们 websocket 协议的解析成功了!

frame 帧

这样的协议格式的数据叫做 frame,也就是帧:

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数据的发送

解析可以了,接下来我们再实现数据的发送。

发送也是构造一样的 frame 格式。

定义这样一个 send 方法:

send(data) {
    let opcode;
    let buffer;
    if (Buffer.isBuffer(data)) {
      opcode = OPCODES.BINARY;
      buffer = data;
    } else if (typeof data === 'string') {
      opcode = OPCODES.TEXT;
      buffer = Buffer.from(data, 'utf8');
    } else {
      console.error('暂不支持发送的数据类型')
    }
    this.doSend(opcode, buffer);
}

doSend(opcode, bufferDatafer) {
   this.socket.write(encodeMessage(opcode, bufferDatafer));
}

根据发送的是文本还是二进制数据来对内容作处理。

然后构造 websocket 的 frame:

function encodeMessage(opcode, payload) {
  //payload.length < 126
  let bufferData = Buffer.alloc(payload.length + 2 + 0);;
  
  let byte1 = parseInt('10000000', 2) | opcode; // 设置 FIN 为 1
  let byte2 = payload.length;

  bufferData.writeUInt8(byte1, 0);
  bufferData.writeUInt8(byte2, 1);

  payload.copy(bufferData, 2);
  
  return bufferData;
}

我们只处理数据长度小于 125 的情况。

第一个字节是 opcode,我们把第一位置 1 ,通过按位或的方式 写入。

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服务端给客户端回消息不需要 mask,所以第二个字节就是 payload 长度。

分别把这前两个字节的数据写到 buffer 里,指定不同的 offset:

bufferData.writeUInt8(byte1, 0);
bufferData.writeUInt8(byte2, 1);

之后把 payload 数据放在后面:

 payload.copy(bufferData, 2);

这样一个 websocket 的 frame 就构造完了。

我们试一下:

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收到客户端消息后,每两秒回一个消息。

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收发消息都成功了!

完整代码

就这样,我们自己实现了一个 websocket 服务器,实现了 websocket 协议的解析和生成!

完整代码如下:

MyWebSocket:

//ws.js
const { EventEmitter } = require('events');
const http = require('http');
const crypto = require('crypto');

function hashKey(key) {
  const sha1 = crypto.createHash('sha1');
  sha1.update(key + '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11');
  return sha1.digest('base64');
}

function handleMask(maskBytes, data) {
  const payload = Buffer.alloc(data.length);
  for (let i = 0; i < data.length; i++) {
    payload[i] = maskBytes[i % 4] ^ data[i];
  }
  return payload;
}

const OPCODES = {
  CONTINUE: 0,
  TEXT: 1,
  BINARY: 2,
  CLOSE: 8,
  PING: 9,
  PONG: 10,
};

function encodeMessage(opcode, payload) {
  //payload.length < 126
  let bufferData = Buffer.alloc(payload.length + 2 + 0);;
  
  let byte1 = parseInt('10000000', 2) | opcode; // 设置 FIN 为 1
  let byte2 = payload.length;

  bufferData.writeUInt8(byte1, 0);
  bufferData.writeUInt8(byte2, 1);

  payload.copy(bufferData, 2);
  
  return bufferData;
}

class MyWebsocket extends EventEmitter {
  constructor(options) {
    super(options);

    const server = http.createServer();
    server.listen(options.port || 8080);

    server.on('upgrade', (req, socket) => {
      this.socket = socket;
      socket.setKeepAlive(true);

      const resHeaders = [
        'HTTP/1.1 101 Switching Protocols',
        'Upgrade: websocket',
        'Connection: Upgrade',
        'Sec-WebSocket-Accept: ' + hashKey(req.headers['sec-websocket-key']),
        '',
        ''
      ].join('\r\n');
      socket.write(resHeaders);

      socket.on('data', (data) => {
        this.processData(data);
        // console.log(data);
      });
      socket.on('close', (error) => {
          this.emit('close');
      });
    });
  }

  handleRealData(opcode, realDataBuffer) {
    switch (opcode) {
      case OPCODES.TEXT:
        this.emit('data', realDataBuffer.toString('utf8'));
        break;
      case OPCODES.BINARY:
        this.emit('data', realDataBuffer);
        break;
      default:
        this.emit('close');
        break;
    }
  }

  processData(bufferData) {
    const byte1 = bufferData.readUInt8(0);
    let opcode = byte1 & 0x0f; 
    
    const byte2 = bufferData.readUInt8(1);
    const str2 = byte2.toString(2);
    const MASK = str2[0];

    let curByteIndex = 2;
    
    let payloadLength = parseInt(str2.substring(1), 2);
    if (payloadLength === 126) {
      payloadLength = bufferData.readUInt16BE(2);
      curByteIndex += 2;
    } else if (payloadLength === 127) {
      payloadLength = bufferData.readBigUInt64BE(2);
      curByteIndex += 8;
    }

    let realData = null;
    
    if (MASK) {
      const maskKey = bufferData.slice(curByteIndex, curByteIndex + 4);  
      curByteIndex += 4;
      const payloadData = bufferData.slice(curByteIndex, curByteIndex + payloadLength);
      realData = handleMask(maskKey, payloadData);
    } 
    
    this.handleRealData(opcode, realData);
  }

  send(data) {
    let opcode;
    let buffer;
    if (Buffer.isBuffer(data)) {
      opcode = OPCODES.BINARY;
      buffer = data;
    } else if (typeof data === 'string') {
      opcode = OPCODES.TEXT;
      buffer = Buffer.from(data, 'utf8');
    } else {
      console.error('暂不支持发送的数据类型')
    }
    this.doSend(opcode, buffer);
  }

  doSend(opcode, bufferDatafer) {
    this.socket.write(encodeMessage(opcode, bufferDatafer));
  }
}

module.exports = MyWebsocket;

Index:

const MyWebSocket = require('./ws');
const ws = new MyWebSocket({ port: 8080 });

ws.on('data', (data) => {
  console.log('receive data:' + data);
  setInterval(() => {
    ws.send(data + ' ' + Date.now());
  }, 2000)
});

ws.on('close', (code, reason) => {
  console.log('close:', code, reason);
});

html:

<!DOCTYPE HTML>
<html>
<body>
    <script>
        const ws = new WebSocket("ws://localhost:8080");

        ws.onopen = function () {
            ws.send("发送数据");
            setTimeout(() => {
                ws.send("发送数据2");
            }, 3000)
        };

        ws.onmessage = function (evt) {
            console.log(evt)
        };

        ws.onclose = function () {
        };
    </script>
</body>

</html>

总结

实时性较高的需求,我们会用 websocket 实现,比如即时通讯、游戏等场景。

websocket 和 http 没什么关系,但从 http 到 websocket 需要一次切换的过程。

这个切换过程除了要带 upgrade 的 header 外,还要带 sec-websocket-key,服务端根据这个 key 算出结果,通过 sec-websocket-accept 返回。响应是 101 Switching Protocols 的状态码。

这个计算过程比较固定,就是 key + 固定的字符串 通过 sha1 加密后再 base64 的结果。

加这个机制是为了确保对方一定是 websocket 服务器,而不是随意返回了个 101 状态码。

之后就是 websocket 协议了,这是个二进制协议,我们根据格式完成了 websocket 帧的解析和生成。

这样就是一个完整的 websocket 协议的实现了。

我们自己手写了一个 websocket 服务,有没有感觉对 websocket 的理解更深了呢?文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-604196.html

到了这里,关于用 Node.js 手写 WebSocket 协议的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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    心血历程 这部分主要是写在写这些的时候遇到的问题以及换思路的过程,可以之间看正文 在之前我也写过直播功能,并且与websocket相结合实现了直播弹幕。只不过直播是使用的腾讯云的,而不是手写的直播推流拉流,这次又有一个新的项目,和直播息息相关(直播自习平台

    2024年02月14日
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  • 使用node简单搭建websocket服务器

    我们都知道,http协议通信只能由客户端发起,然后服务端再做出响应;但是websocket协议最大的特点是服务端可以主动向客户端推送消息,客户端也可以主动向服务器发送消息 往常实现双向通信的方法主要是 轮询, 客户端通过定时器,每隔一段时间就会主动发送请求给服务器

    2024年02月05日
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  • websocket实现聊天室(vue2 + node)

    需求分析如图: 搭建的项目结构如图: 前端步骤: vue create socket_demo (创建项目) views下面建立Home , Login组件 路由里面配置路径 Home组件内部开启websocket连接 前端相关组件代码: Login组件 Home组件 router/index.js 后端步骤: 在项目外层创建server文件夹(src目录同级) npm init -y创建

    2024年01月22日
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