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手把手帶你用Node手寫WebSocket協議

青灯夜游
發布： 2023-02-16 19:19:30
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手把手帶你用Node手寫WebSocket協議

我們知道，http 是一問一答的模式，客戶端向伺服器發送 http 請求，伺服器回傳 http 回應。

這種模式對資源、資料的載入夠用，但是需要資料推送的場景就不合適了。

有同學說，http2 不是有 server push 麼？

那隻是推資源用的：

例如瀏覽器請求了 html，服務端可以連帶把 css 一起推送給瀏覽器。瀏覽器可以決定接不接收。 【相關教學推薦：nodejs影片教學、程式設計教學】

#對於即時通訊等即時性要求高的場景，就需要用 websocket 了。

websocket 嚴格來說和 http 沒什麼關係，是另一種協定格式。但是需要一次從 http 到 websocekt 的切換過程。

切換過程詳細來說是這樣的：

請求的時候帶上這幾個header：

Connection: Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Key: Ia3dQjfWrAug/6qm7mTZOg==
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前兩個很容易理解，就是升級到websocket 協定的意思。

第三個 header 是保證安全用的一個 key。

服務端回傳這樣的 header：

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

和請求 header 類似，Sec-WebSocket-Accept 是對請求帶過來的 Sec-WebSocket-Key 處理之後的結果。

加入這個 header 的校驗是為了確定對方一定是有 WebSocket 能力的，不然萬一建立了連接對方卻一直沒消息，那不就白等了麼。

那 Sec-WebSocket-Key 經過什麼處理能得到 Sec-WebSocket-Accept 呢？

我用node 實作了一下，是這樣的：

const crypto = require('crypto');

function hashKey(key) {
  const sha1 = crypto.createHash('sha1');
  sha1.update(key + '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11');
  return sha1.digest('base64');
}
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也就是用客戶端傳過來的key，加上一個固定的字串，經過sha1 加密之後，轉成base64的結果。

這個字串258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 是固定的，不信你搜搜看：

#隨便找個有websocket 的網站，例如知乎就有：

過濾出ws 類型的請求，看看這幾個header，是不是就是前面說的那些。

這個Sec-WebSocket-Key 是wk60yiym2FEwCAMVZE3FgQ==

而回應的Sec-WebSocket-Accept 是XRfPnS 8xl11QWZherej/dkHPHM=

##我們算算看：

#是不是一毛一樣！

這就是 websocket 升級協定時候的 Sec-WebSocket-Key 對應的 Sec-WebSocket-Accept 的計算過程。

這一步之後就換到websocket 的協定了，那是一個全新的協議：

勾選message 這一欄可以看到傳輸的訊息，可以是文字、可以是二進制：

全新的協定？那具體是什麼樣的協議呢？

這樣的：

大家習慣的http 協定是key:value 的header 帶個body 的：

它是文字協議，每個header 都是容易理解的字元。

這樣好懂是好懂，但是傳輸佔的空間太大了。

而websocket 是二進位協議，一個位元組可以用來儲存很多資訊：

例如協議的第一個位元組，就儲存了FIN （結束標誌）、opcode（內容類型是binary 還是text） 等資訊。

第二個位元組儲存了 mask（是否有加密），payload（資料長度）。

僅僅兩個字節，儲存了多少資訊呀！

這就是二進位協定比文字協定好的地方。

我們看到的 weboscket 的 message 的收發，其實底層都是拼成這樣的格式。

只是瀏覽器幫我們解析了這種格式的協定資料。

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。

那我们就用 Node.js 自己实现一个 websocket 服务器吧！

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) => {
      
    });
  }
}
登入後複製

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');
  });
});
登入後複製

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');
}
登入後複製

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);
});
登入後複製

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>
登入後複製
登入後複製

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：

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：

再去服务端看看，也收到了这个消息：

只不过是 Buffer 的，也就是二进制的。

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。

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;
登入後複製

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。

然后再处理第二个字节：

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);
登入後複製

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？

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;
}
登入後複製

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。

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。

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：

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);;
}
登入後複製

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;
}
登入後複製

这样，我们就拿到了最终的数据！

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,
};
登入後複製

我们只处理文本和二进制就好了：

handleRealData(opcode, realDataBuffer) {
    switch (opcode) {
      case OPCODES.TEXT:
        this.emit(&#39;data&#39;, realDataBuffer.toString(&#39;utf8&#39;));
        break;
      case OPCODES.BINARY:
        this.emit(&#39;data&#39;, realDataBuffer);
        break;
      default:
        this.emit(&#39;close&#39;);
        break;
    }
}
登入後複製

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：

而现在我们能正确解析出其中的数据：

至此，我们 websocket 协议的解析成功了！

这样的协议格式的数据叫做 frame，也就是帧：

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 === &#39;string&#39;) {
      opcode = OPCODES.TEXT;
      buffer = Buffer.from(data, &#39;utf8&#39;);
    } else {
      console.error(&#39;暂不支持发送的数据类型&#39;)
    }
    this.doSend(opcode, buffer);
}

doSend(opcode, bufferDatafer) {
   this.socket.write(encodeMessage(opcode, bufferDatafer));
}
登入後複製

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(&#39;10000000&#39;, 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;
}
登入後複製

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。

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);
登入後複製

之后把 payload 数据放在后面：

 payload.copy(bufferData, 2);
登入後複製

这样一个 websocket 的 frame 就构造完了。

我们试一下：

收到客户端消息后，每两秒回一个消息。

收发消息都成功了！

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(&#39;crypto&#39;);

function hashKey(key) {
  const sha1 = crypto.createHash(&#39;sha1&#39;);
  sha1.update(key + &#39;258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11&#39;);
  return sha1.digest(&#39;base64&#39;);
}

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(&#39;10000000&#39;, 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;
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Index：

const MyWebSocket = require(&#39;./ws&#39;);
const ws = new MyWebSocket({ port: 8080 });

ws.on(&#39;data&#39;, (data) => {
  console.log(&#39;receive data:&#39; + data);
  setInterval(() => {
    ws.send(data + &#39; &#39; + Date.now());
  }, 2000)
});

ws.on(&#39;close&#39;, (code, reason) => {
  console.log(&#39;close:&#39;, code, reason);
});
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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>
登入後複製
登入後複製

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？

更多node相关知识，请访问：nodejs 教程！

以上是手把手帶你用Node手寫WebSocket協議的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！

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來源：juejin.cn
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