nodejs实现Websocket的数据接收发送

浏览数：36 / 时间：2015年06月09日

　　在去年的时候，写过一篇关于websocket的博文：http://www.cnblogs.com/axes/p/3586132.html ，里面主要是借助了nodejs-websocket这个插件，后来还用了socket.io做了些demo，但是，这些都是借助于别人封装好的插件做出来的，websocket到底是怎么实现的呢自己之前真没怎么去想过，最近在看朴灵大神的《深入浅出nodejs》时候，看到websocket那一章，看了一下websocket的数据帧的定义，就琢磨着自己用nodejs来实现一下。

　　最后也是实现了出来，先上DEMO：http://wanghx.cn:9030/wsindex　　多开几个窗口，然后在某个窗口输入数据点发送就可以看到效果了。（因为我是一收到消息就直接广播，所以一个人发了消息打开页面的人都能收到）

　　客户端的代码就不说了，websocket的API还是很简单的，就通过onmessage、onopen、onclose，以及send方法就可以实现了。

　　主要说服务端的代码：

　　首先是协议的升级，这个比较简单，就简述一下：当在客户端执行new Websocket("ws://XXX.com/")的时候，客户端就会发起请求报文进行握手申请，报文中有个很重要的key就是Sec-WebSocket-Key，服务端获取到key，然后将这个key与字符串258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11相连，对新的字符串通过sha1安全散列算法计算出结果后，再进行base64编码，并且将结果放在请求头的"Sec-WebSocket-Accept"中返回即可完成握手。具体请看代码：

server.on(‘upgrade‘, function (req, socket, upgradeHead) {
            var key = req.headers[‘sec-websocket-key‘];
            key = crypto.createHash("sha1").update(key + "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11").digest("base64");
            var headers = [
                ‘HTTP/1.1 101 Switching Protocols‘,
                ‘Upgrade: websocket‘,
                ‘Connection: Upgrade‘,
                ‘Sec-WebSocket-Accept: ‘ + key
            ];
            socket.setNoDelay(true);
            socket.write(headers.join("\r\n") + "\r\n\r\n", ‘ascii‘);

            var ws = new WebSocket(socket);
            webSocketCollector.push(ws);
            callback(ws);
        });

　　upgrade事件其实是http这个模块的封装，再往底层就是net模块的实现，其实都差不多，如果直接用net模块来实现的话，就是监听net.createServer返回的server对象的data事件，接收到的第一份数据就是客户端发来的升级请求报文。

　　上面那段代码就完成了websocket的握手，然后就可以开始数据传输了。

　　看数据传输之前，先看看websocket数据帧的定义（因为觉得深入浅出nodejs里的帧定义图最容易理解，所以就贴这张了）：

　　技术分享

　　上面的图中，每一列就是一个字节，一个字节总共是8位，每一位就是一个二进制数，不同位的值会对应不同的意义。

　　fin：指示这个是消息的最后片段。第一个片段可能也是最后的片段。如果为1即为最后片段，（其实这个位的用途我个人有点疑惑，按照书上以及网上查的资料，当数据被分片的时候，不同片应该都会有fin位，会根据fin为是不是0来判断是否为最后一帧，但是实际实现中却发现，当数据比较大需要分片时，服务端收到的数据就只有第一帧是有fin位为1，其他帧则整个帧都是数据段，也就是说，感觉这个fin位似乎用不上，至少我自己写的demo中是通过数据长度来判断是否到了最后一帧，完全没用到这个fin位是否为1来判断）

　　rsv1、rsv2、rsv3： 各占一个位，用于扩展协商，基本上不怎么需要理，一般都是0

　　opcode：占四个位，可以表示0~15的十进制，0表示为附加数据帧，1表示为文本数据帧，2表示二进制数据帧，8表示发送一个连接关闭的数据帧，9表示ping，10表示pong，ping和pong都是用于心跳检测，当一端发送ping时，另一端必须响应pong表示自己仍处于响应状态。

　　masked：占一个位，表示是否进行掩码处理，客户端发送给服务端时为1，服务端发送给客户端时为0

　　payload length：占7位，或者7+16位、或者7+64位。如果第二个字节的后面七个位的十进制值小于或等于125，则直接用这七个位表示数据长度；如果该值为126，说明 125<数据长度<65535（16个位能描述的最大值，也就是16个1的时候），就用第三个字节及第四个字节即16个位来表示；如果该值为127，则说明数据长度已经大于65535，16个位也已经不足以描述数据长度了，就用第三到第十个字节这八个字节来描述数据长度。

　　masking key：当masked为1的时候才存在，用于对我们需要的数据进行解密。

　　payload data：我们需要的数据，如果masked为1，该数据会被加密，要通过masking key进行异或运算解密才能获取到真实数据。

　　帧定义解释完了，就可以根据数据来进行解析了，当有data过来的时候，先获取需要的数据信息，下面这段代码将获取到数据在data里的位置，以及数据长度，masking key以及opcode：

WebSocket.prototype.handleDataStat = function (data) {
    if (!this.stat) {
        var dataIndex = 2;  //数据索引，因为第一个字节和第二个字节肯定不为数据，所以初始值为2
        var secondByte = data[1];       //代表masked位和可能是payloadLength位的第二个字节
        var hasMask = secondByte >= 128; //如果大于或等于128，说明masked位为1
        secondByte -= hasMask ? 128 : 0;    //如果有掩码，需要将掩码那一位去掉

        var dataLength, maskedData;

        //如果为126，则后面16位长的数据为数据长度，如果为127，则后面64位长的数据为数据长度
        if (secondByte == 126) {
            dataIndex += 2;
            dataLength = data.readUInt16BE(2);
        } else if (secondByte == 127) {
            dataIndex += 8;
            dataLength = data.readUInt32BE(2) + data.readUInt32BE(6);
        } else {
            dataLength = secondByte;
        }

        //如果有掩码，则获取32位的二进制masking key，同时更新index
        if (hasMask) {
            maskedData = data.slice(dataIndex, dataIndex + 4);
            dataIndex += 4;
        }

        //数据量最大为10kb
        if (dataLength > 10240) {
            this.send("Warning : data limit 10kb");
        } else {
            //计算到此处时，dataIndex为数据位的起始位置，dataLength为数据长度，maskedData为二进制的解密数据
            this.stat = {
                index: dataIndex,
                totalLength: dataLength,
                length: dataLength,
                maskedData: maskedData,
                opcode: parseInt(data[0].toString(16).split("")[1] , 16)   //获取第一个字节的opcode位
            };
        }
    } else {
        this.stat.index = 0;
    }
};

　　代码中均有注释，理解起来应该不难，直接看下一步，获取到数据信息后，就要对数据进行实际解析了：

　　经过上面handleDataStat方法的处理，stat中已经有了data的相关数据，先判断opcode，如果为9说明是客户端发起的ping心跳检测，直接返回pong响应，如果为10则为服务端发起的心跳检测。如果有masking key，则遍历数据段，对每个字节都与masking key的字节进行异或运算（网上看到一个说法很形象：就是轮流发生X关系），^符号就是进行异或运算啦。如果没有masking key则直接通过slice方法把数据截取下来。

　　获取到数据后，放进datas里保存，因为有可能数据被分片了，所以再将stat里的长度减去当前数据长度，只有当stat里的长度为0的时候，说明当前帧为最后一帧，然后通过Buffer.concat将所有数据合并，此时再判断一下opcode，如果opcode为8，则说明客户端发起了一个关闭请求，而我们获取到的数据则是关闭原因。如果不为8，则这数据就是我们需要的数据。然后再将stat重置为null，datas数组置空即可。至此，我们的数据解析就完成了。

WebSocket.prototype.dataHandle = function (data) {
    this.handleDataStat(data);
    var stat;

    if (!(stat = this.stat)) return;

    //如果opcode为9，则发送pong响应，如果opcode为10则置pingtimes为0
    if (stat.opcode === 9 || stat.opcode === 10) {
        (stat.opcode === 9) ? (this.sendPong()) : (this.pingTimes = 0);
        this.reset();
        return;
    }

    var result;
    if (stat.maskedData) {
        result = new Buffer(data.length-stat.index);
        for (var i = stat.index, j = 0; i < data.length; i++, j++) {
            //对每个字节进行异或运算，masked是4个字节，所以%4，借此循环
            result[j] = data[i] ^ stat.maskedData[j % 4];
        }
    } else {
        result = data.slice(stat.index, data.length);
    }

    this.datas.push(result);

    stat.length -= (data.length - stat.index);

    //当长度为0，说明当前帧为最后帧
    if (stat.length == 0) {
        var buf = Buffer.concat(this.datas, stat.totalLength);

        if (stat.opcode == 8) {
            this.close(buf.toString());
        } else {
            this.emit("message", buf.toString());
        }

        this.reset();
    }
};

　　完成了客户端发来的数据解析，还需要一个服务端发数据至客户端的方法，也就是按照上面所说的帧定义来组装数据并且发送出去。下面的代码中基本上每一行都有注释，应该还是比较容易理解的。

//数据发送
WebSocket.prototype.send = function (message) {
    if(this.state !== "OPEN") return;
    
    message = String(message);
    var length = Buffer.byteLength(message);

//  数据的起始位置，如果数据长度16位也无法描述，则用64位，即8字节，如果16位能描述则用2字节，否则用第二个字节描述
    var index = 2 + (length > 65535 ? 8 : (length > 125 ? 2 : 0));

//  定义buffer，长度为描述字节长度 + message长度
    var buffer = new Buffer(index + length);

//  第一个字节，fin位为1，opcode为1
    buffer[0] = 129;

//    因为是由服务端发至客户端，所以无需masked掩码
    if (length > 65535) {
        buffer[1] = 127;

//      长度超过65535的则由8个字节表示，因为4个字节能表达的长度为4294967295，已经完全够用，因此直接将前面4个字节置0
        buffer.writeUInt32BE(0, 2);
        buffer.writeUInt32BE(length, 6);
    } else if (length > 125) {
        buffer[1] = 126;

//      长度超过125的话就由2个字节表示
        buffer.writeUInt16BE(length, 2);
    } else {
        buffer[1] = length;
    }

//    写入正文
    buffer.write(message, index);
    this.socket.write(buffer);
};

　　除此之外还要实现一个功能，就是心跳检测：防止服务端长时间不与客户端交互而导致客户端关闭连接，所以每隔十秒都会发送一次ping进行心跳检测

//每隔10秒进行一次心跳检测，若连续发出三次心跳却没收到响应则关闭socket
WebSocket.prototype.checkHeartBeat = function () {
    var that = this;
    setTimeout(function () {
        if (that.state !== "OPEN") return;

        if (that.pingTimes >= 3) {
            that.close("time out");
            return;
        }

        //记录心跳次数
        that.pingTimes++;
        that.sendPing();

        that.checkHeartBeat();
    }, 10000);
};
WebSocket.prototype.sendPing = function () {
    this.socket.write(new Buffer([‘0x89‘, ‘0x0‘]))
};
WebSocket.prototype.sendPong = function () {
    this.socket.write(new Buffer([‘0x8A‘, ‘0x0‘]))
};

　　最后，在主函数里直接调用，一收到消息就广播。。。

var server = http.createServer(function(req , res){
    router.route(req , res);
}).listen(9030);


websocket.update(server , function(ws){
    ws.on(‘close‘ , function(reason){
        console.log("socket closed:"+reason);
    });

    ws.on(‘message‘ , function(data){
        websocket.brocast(data);
    });
});

　　至此，整个websocket的实现就完成了，此demo只是大概实现了一下websocket而已，在安全之类方面肯定还是有很多问题，若是真正生产环境中还是用socket.io这类成熟的插件比较好。不过这还是很值得一学的。

　　附上该demo的github地址：https://github.com/whxaxes/node-test/tree/master/server/websocket

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