2020-7-26 seo達(dá)人
在最后的 阿寶哥有話說 環(huán)節(jié)，阿寶哥將介紹 WebSocket 與 HTTP 之間的關(guān)系、WebSocket 與長輪詢有什么區(qū)別、什么是 WebSocket 心跳及 Socket 是什么等內(nèi)容。
下面我們進(jìn)入正題，為了讓大家能夠更好地理解和掌握 WebSocket 技術(shù)，我們先來介紹一下什么是 WebSocket。
一、什么是 WebSocket
1.1 WebSocket 誕生背景
早期，很多網(wǎng)站為了實(shí)現(xiàn)推送技術(shù)，所用的技術(shù)都是輪詢。輪詢是指由瀏覽器每隔一段時(shí)間向服務(wù)器發(fā)出 HTTP 請求，然后服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)給客戶端。常見的輪詢方式分為輪詢與長輪詢，它們的區(qū)別如下圖所示：
為了更加直觀感受輪詢與長輪詢之間的區(qū)別，我們來看一下具體的代碼：
這種傳統(tǒng)的模式帶來很明顯的缺點(diǎn)，即瀏覽器需要不斷的向服務(wù)器發(fā)出請求，然而 HTTP 請求與響應(yīng)可能會(huì)包含較長的頭部，其中真正有效的數(shù)據(jù)可能只是很小的一部分，所以這樣會(huì)消耗很多帶寬資源。
比較新的輪詢技術(shù)是 Comet)。這種技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，但仍然需要反復(fù)發(fā)出請求。而且在 Comet 中普遍采用的 HTTP 長連接也會(huì)消耗服務(wù)器資源。
在這種情況下，HTML5 定義了 WebSocket 協(xié)議，能更好的節(jié)省服務(wù)器資源和帶寬，并且能夠更實(shí)時(shí)地進(jìn)行通訊。Websocket 使用 ws 或 wss 的統(tǒng)一資源標(biāo)志符（URI），其中 wss 表示使用了 TLS 的 Websocket。如：
ws://echo.websocket.org
wss://echo.websocket.org
WebSocket 與 HTTP 和 HTTPS 使用相同的 TCP 端口，可以繞過大多數(shù)防火墻的限制。默認(rèn)情況下，WebSocket 協(xié)議使用 80 端口；若運(yùn)行在 TLS 之上時(shí)，默認(rèn)使用 443 端口。
1.2 WebSocket 簡介
WebSocket 是一種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，可在單個(gè) TCP 連接上進(jìn)行全雙工通信，位于 OSI 模型的應(yīng)用層。WebSocket 協(xié)議在 2011 年由 IETF 標(biāo)準(zhǔn)化為 RFC 6455，后由 RFC 7936 補(bǔ)充規(guī)范。
WebSocket 使得客戶端和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換變得更加簡單，允許服務(wù)端主動(dòng)向客戶端推送數(shù)據(jù)。在 WebSocket API 中，瀏覽器和服務(wù)器只需要完成一次握手，兩者之間就可以創(chuàng)建持久性的連接，并進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。
介紹完輪詢和 WebSocket 的相關(guān)內(nèi)容之后，接下來我們來看一下 XHR Polling 與 WebSocket 之間的區(qū)別：
1.3 WebSocket 優(yōu)點(diǎn)
較少的控制開銷。在連接創(chuàng)建后，服務(wù)器和客戶端之間交換數(shù)據(jù)時(shí)，用于協(xié)議控制的數(shù)據(jù)包頭部相對較小。
更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。由于協(xié)議是全雙工的，所以服務(wù)器可以隨時(shí)主動(dòng)給客戶端下發(fā)數(shù)據(jù)。相對于 HTTP 請求需要等待客戶端發(fā)起請求服務(wù)端才能響應(yīng)，延遲明顯更少。
保持連接狀態(tài)。與 HTTP 不同的是，WebSocket 需要先創(chuàng)建連接，這就使得其成為一種有狀態(tài)的協(xié)議，之后通信時(shí)可以省略部分狀態(tài)信息。
更好的二進(jìn)制支持。WebSocket 定義了二進(jìn)制幀，相對 HTTP，可以更輕松地處理二進(jìn)制內(nèi)容。
可以支持?jǐn)U展。WebSocket 定義了擴(kuò)展，用戶可以擴(kuò)展協(xié)議、實(shí)現(xiàn)部分自定義的子協(xié)議。
由于 WebSocket 擁有上述的優(yōu)點(diǎn)，所以它被廣泛地應(yīng)用在即時(shí)通信、實(shí)時(shí)音視頻、在線教育和游戲等領(lǐng)域。對于前端開發(fā)者來說，要想使用 WebSocket 提供的強(qiáng)大能力，就必須先掌握 WebSocket API，下面阿寶哥帶大家一起來認(rèn)識(shí)一下 WebSocket API。
二、WebSocket API
在介紹 WebSocket API 之前，我們先來了解一下它的兼容性：
（圖片來源：https://caniuse.com/#search=W...）
從上圖可知，目前主流的 Web 瀏覽器都支持 WebSocket，所以我們可以在大多數(shù)項(xiàng)目中放心地使用它。
在瀏覽器中要使用 WebSocket 提供的能力，我們就必須先創(chuàng)建 WebSocket 對象，該對象提供了用于創(chuàng)建和管理 WebSocket 連接，以及可以通過該連接發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的 API。
使用 WebSocket 構(gòu)造函數(shù)，我們就能輕易地構(gòu)造一個(gè) WebSocket 對象。接下來我們將從 WebSocket 構(gòu)造函數(shù)、WebSocket 對象的屬性、方法及 WebSocket 相關(guān)的事件四個(gè)方面來介紹 WebSocket API，首先我們從 WebSocket 的構(gòu)造函數(shù)入手：
2.1 構(gòu)造函數(shù)
WebSocket 構(gòu)造函數(shù)的語法為：
const myWebSocket = new WebSocket(url [, protocols]);
相關(guān)參數(shù)說明如下：
url：表示連接的 URL，這是 WebSocket 服務(wù)器將響應(yīng)的 URL。
protocols（可選）：一個(gè)協(xié)議字符串或者一個(gè)包含協(xié)議字符串的數(shù)組。這些字符串用于指定子協(xié)議，這樣單個(gè)服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)多個(gè) WebSocket 子協(xié)議。比如，你可能希望一臺(tái)服務(wù)器能夠根據(jù)指定的協(xié)議（protocol）處理不同類型的交互。如果不指定協(xié)議字符串，則假定為空字符串。
當(dāng)嘗試連接的端口被阻止時(shí)，會(huì)拋出 SECURITY_ERR 異常。
2.2 屬性
WebSocket 對象包含以下屬性：
每個(gè)屬性的具體含義如下：
binaryType：使用二進(jìn)制的數(shù)據(jù)類型連接。
bufferedAmount（只讀）：未發(fā)送至服務(wù)器的字節(jié)數(shù)。
extensions（只讀）：服務(wù)器選擇的擴(kuò)展。
onclose：用于指定連接關(guān)閉后的回調(diào)函數(shù)。
onerror：用于指定連接失敗后的回調(diào)函數(shù)。
onmessage：用于指定當(dāng)從服務(wù)器接受到信息時(shí)的回調(diào)函數(shù)。
onopen：用于指定連接成功后的回調(diào)函數(shù)。
protocol（只讀）：用于返回服務(wù)器端選中的子協(xié)議的名字。
readyState（只讀）：返回當(dāng)前 WebSocket 的連接狀態(tài)，共有 4 種狀態(tài)：
CONNECTING — 正在連接中，對應(yīng)的值為 0；
OPEN — 已經(jīng)連接并且可以通訊，對應(yīng)的值為 1；
CLOSING — 連接正在關(guān)閉，對應(yīng)的值為 2；
CLOSED — 連接已關(guān)閉或者沒有連接成功，對應(yīng)的值為 3。
url（只讀）：返回值為當(dāng)構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建 WebSocket 實(shí)例對象時(shí) URL 的絕對路徑。
2.3 方法
close([code[, reason]])：該方法用于關(guān)閉 WebSocket 連接，如果連接已經(jīng)關(guān)閉，則此方法不執(zhí)行任何操作。
send(data)：該方法將需要通過 WebSocket 鏈接傳輸至服務(wù)器的數(shù)據(jù)排入隊(duì)列，并根據(jù)所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的大小來增加 bufferedAmount 的值 。若數(shù)據(jù)無法傳輸（比如數(shù)據(jù)需要緩存而緩沖區(qū)已滿）時(shí)，套接字會(huì)自行關(guān)閉。
2.4 事件
使用 addEventListener() 或?qū)⒁粋€(gè)事件監(jiān)聽器賦值給 WebSocket 對象的 oneventname 屬性，來監(jiān)聽下面的事件。
close：當(dāng)一個(gè) WebSocket 連接被關(guān)閉時(shí)觸發(fā)，也可以通過 onclose 屬性來設(shè)置。
error：當(dāng)一個(gè) WebSocket 連接因錯(cuò)誤而關(guān)閉時(shí)觸發(fā)，也可以通過 onerror 屬性來設(shè)置。
message：當(dāng)通過 WebSocket 收到數(shù)據(jù)時(shí)觸發(fā)，也可以通過 onmessage 屬性來設(shè)置。
open：當(dāng)一個(gè) WebSocket 連接成功時(shí)觸發(fā)，也可以通過 onopen 屬性來設(shè)置。
介紹完 WebSocket API，我們來舉一個(gè)使用 WebSocket 發(fā)送普通文本的示例。
2.5 發(fā)送普通文本
在以上示例中，我們在頁面上創(chuàng)建了兩個(gè) textarea，分別用于存放 待發(fā)送的數(shù)據(jù) 和 服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶輸入完待發(fā)送的文本之后，點(diǎn)擊 發(fā)送 按鈕時(shí)會(huì)把輸入的文本發(fā)送到服務(wù)端，而服務(wù)端成功接收到消息之后，會(huì)把收到的消息原封不動(dòng)地回傳到客戶端。
// const socket = new WebSocket("ws://echo.websocket.org");
// const sendMsgContainer = document.querySelector("#sendMessage");
function send() {
const message = sendMsgContainer.value;
if (socket.readyState !== WebSocket.OPEN) {
console.log("連接未建立，還不能發(fā)送消息");
return;
}
if (message) socket.send(message);
}
當(dāng)然客戶端接收到服務(wù)端返回的消息之后，會(huì)把對應(yīng)的文本內(nèi)容保存到 接收的數(shù)據(jù) 對應(yīng)的 textarea 文本框中。
// const socket = new WebSocket("ws://echo.websocket.org");
// const receivedMsgContainer = document.querySelector("#receivedMessage");
socket.addEventListener("message", function (event) {
console.log("Message from server ", event.data);
receivedMsgContainer.value = event.data;
});
為了更加直觀地理解上述的數(shù)據(jù)交互過程，我們使用 Chrome 瀏覽器的開發(fā)者工具來看一下相應(yīng)的過程：
以上示例對應(yīng)的完整代碼如下所示：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8" />
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0" />
<title>WebSocket 發(fā)送普通文本示例</title>
<style>
.block {
flex: 1;
}
</style>
</head>
<body>
<h3>阿寶哥：WebSocket 發(fā)送普通文本示例</h3>
<div style="display: flex;">
<div class="block">
<p>即將發(fā)送的數(shù)據(jù)：<button onclick="send()">發(fā)送</button></p>
<textarea id="sendMessage" rows="5" cols="15"></textarea>
</div>
<div class="block">
<p>接收的數(shù)據(jù)：</p>
<textarea id="receivedMessage" rows="5" cols="15"></textarea>
</div>
</div>
<script>
const sendMsgContainer = document.querySelector("#sendMessage");
const receivedMsgContainer = document.querySelector("#receivedMessage");
const socket = new WebSocket("ws://echo.websocket.org");
// 監(jiān)聽連接成功事件
socket.addEventListener("open", function (event) {
console.log("連接成功，可以開始通訊");
});
// 監(jiān)聽消息
socket.addEventListener("message", function (event) {
console.log("Message from server ", event.data);
receivedMsgContainer.value = event.data;
});
function send() {
const message = sendMsgContainer.value;
if (socket.readyState !== WebSocket.OPEN) {
console.log("連接未建立，還不能發(fā)送消息");
return;
}
if (message) socket.send(message);
}
</script>
</body>
</html>
其實(shí) WebSocket 除了支持發(fā)送普通的文本之外，它還支持發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)，比如 ArrayBuffer 對象、Blob 對象或者 ArrayBufferView 對象：
const socket = new WebSocket("ws://echo.websocket.org");
socket.onopen = function () {
// 發(fā)送UTF-8編碼的文本信息
socket.send("Hello Echo Server!");
// 發(fā)送UTF-8編碼的JSON數(shù)據(jù)
socket.send(JSON.stringify({ msg: "我是阿寶哥" }));
// 發(fā)送二進(jìn)制ArrayBuffer
const buffer = new ArrayBuffer(128);
socket.send(buffer);
// 發(fā)送二進(jìn)制ArrayBufferView
const intview = new Uint32Array(buffer);
socket.send(intview);
// 發(fā)送二進(jìn)制Blob
const blob = new Blob([buffer]);
socket.send(blob);
};
以上代碼成功運(yùn)行后，通過 Chrome 開發(fā)者工具，我們可以看到對應(yīng)的數(shù)據(jù)交互過程：
下面阿寶哥以發(fā)送 Blob 對象為例，來介紹一下如何發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
Blob（Binary Large Object）表示二進(jìn)制類型的大對象。在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，將二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一個(gè)單一個(gè)體的集合。Blob 通常是影像、聲音或多媒體文件。在 JavaScript 中 Blob 類型的對象表示不可變的類似文件對象的原始數(shù)據(jù)。
對 Blob 感興趣的小伙伴，可以閱讀 “你不知道的 Blob” 這篇文章。
2.6 發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)
在以上示例中，我們在頁面上創(chuàng)建了兩個(gè) textarea，分別用于存放 待發(fā)送的數(shù)據(jù) 和 服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶輸入完待發(fā)送的文本之后，點(diǎn)擊 發(fā)送 按鈕時(shí)，我們會(huì)先獲取輸入的文本并把文本包裝成 Blob 對象然后發(fā)送到服務(wù)端，而服務(wù)端成功接收到消息之后，會(huì)把收到的消息原封不動(dòng)地回傳到客戶端。
當(dāng)瀏覽器接收到新消息后，如果是文本數(shù)據(jù)，會(huì)自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換成 DOMString 對象，如果是二進(jìn)制數(shù)據(jù)或 Blob 對象，會(huì)直接將其轉(zhuǎn)交給應(yīng)用，由應(yīng)用自身來根據(jù)返回的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行相應(yīng)的處理。
數(shù)據(jù)發(fā)送代碼
// const socket = new WebSocket("ws://echo.websocket.org");
// const sendMsgContainer = document.querySelector("#sendMessage");
function send() {
const message = sendMsgContainer.value;
if (socket.readyState !== WebSocket.OPEN) {
console.log("連接未建立，還不能發(fā)送消息");
return;
}
const blob = new Blob([message], { type: "text/plain" });
if (message) socket.send(blob);
console.log(`未發(fā)送至服務(wù)器的字節(jié)數(shù)：${socket.bufferedAmount}`);
}
當(dāng)然客戶端接收到服務(wù)端返回的消息之后，會(huì)判斷返回的數(shù)據(jù)類型，如果是 Blob 類型的話，會(huì)調(diào)用 Blob 對象的 text() 方法，獲取 Blob 對象中保存的 UTF-8 格式的內(nèi)容，然后把對應(yīng)的文本內(nèi)容保存到 接收的數(shù)據(jù) 對應(yīng)的 textarea 文本框中。
數(shù)據(jù)接收代碼
// const socket = new WebSocket("ws://echo.websocket.org");
// const receivedMsgContainer = document.querySelector("#receivedMessage");
socket.addEventListener("message", async function (event) {
console.log("Message from server ", event.data);
const receivedData = event.data;
if (receivedData instanceof Blob) {
receivedMsgContainer.value = await receivedData.text();
} else {
receivedMsgContainer.value = receivedData;
}
});
同樣，我們使用 Chrome 瀏覽器的開發(fā)者工具來看一下相應(yīng)的過程：
通過上圖我們可以很明顯地看到，當(dāng)使用發(fā)送 Blob 對象時(shí)，Data 欄位的信息顯示的是 Binary Message，而對于發(fā)送普通文本來說，Data 欄位的信息是直接顯示發(fā)送的文本消息。
以上示例對應(yīng)的完整代碼如下所示：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8" />
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0" />
<title>WebSocket 發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)示例</title>
<style>
.block {
flex: 1;
}
</style>
</head>
<body>
<h3>阿寶哥：WebSocket 發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)示例</h3>
<div style="display: flex;">
<div class="block">
<p>待發(fā)送的數(shù)據(jù)：<button onclick="send()">發(fā)送</button></p>
<textarea id="sendMessage" rows="5" cols="15"></textarea>
</div>
<div class="block">
<p>接收的數(shù)據(jù)：</p>
<textarea id="receivedMessage" rows="5" cols="15"></textarea>
</div>
</div>
<script>
const sendMsgContainer = document.querySelector("#sendMessage");
const receivedMsgContainer = document.querySelector("#receivedMessage");
const socket = new WebSocket("ws://echo.websocket.org");
// 監(jiān)聽連接成功事件
socket.addEventListener("open", function (event) {
console.log("連接成功，可以開始通訊");
});
// 監(jiān)聽消息
socket.addEventListener("message", async function (event) {
console.log("Message from server ", event.data);
const receivedData = event.data;
if (receivedData instanceof Blob) {
receivedMsgContainer.value = await receivedData.text();
} else {
receivedMsgContainer.value = receivedData;
}
});
function send() {
const message = sendMsgContainer.value;
if (socket.readyState !== WebSocket.OPEN) {
console.log("連接未建立，還不能發(fā)送消息");
return;
}
const blob = new Blob([message], { type: "text/plain" });
if (message) socket.send(blob);
console.log(`未發(fā)送至服務(wù)器的字節(jié)數(shù)：${socket.bufferedAmount}`);
}
</script>
</body>
</html>
可能有一些小伙伴了解完 WebSocket API 之后，覺得還不夠過癮。下面阿寶哥將帶大家來實(shí)現(xiàn)一個(gè)支持發(fā)送普通文本的 WebSocket 服務(wù)器。
三、手寫 WebSocket 服務(wù)器
在介紹如何手寫 WebSocket 服務(wù)器前，我們需要了解一下 WebSocket 連接的生命周期。
從上圖可知，在使用 WebSocket 實(shí)現(xiàn)全雙工通信之前，客戶端與服務(wù)器之間需要先進(jìn)行握手（Handshake），在完成握手之后才能開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向通信。
握手是在通信電路創(chuàng)建之后，信息傳輸開始之前。握手用于達(dá)成參數(shù)，如信息傳輸率，字母表，奇偶校驗(yàn)，中斷過程，和其他協(xié)議特性。 握手有助于不同結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)或設(shè)備在通信信道中連接，而不需要人為設(shè)置參數(shù)。
既然握手是 WebSocket 連接生命周期的第一個(gè)環(huán)節(jié)，接下來我們就先來分析 WebSocket 的握手協(xié)議。
3.1 握手協(xié)議
WebSocket 協(xié)議屬于應(yīng)用層協(xié)議，它依賴于傳輸層的 TCP 協(xié)議。WebSocket 通過 HTTP/1.1 協(xié)議的 101 狀態(tài)碼進(jìn)行握手。為了創(chuàng)建 WebSocket 連接，需要通過瀏覽器發(fā)出請求，之后服務(wù)器進(jìn)行回應(yīng)，這個(gè)過程通常稱為 “握手”（Handshaking）。
利用 HTTP 完成握手有幾個(gè)好處。首先，讓 WebSocket 與現(xiàn)有 HTTP 基礎(chǔ)設(shè)施兼容：使得 WebSocket 服務(wù)器可以運(yùn)行在 80 和 443 端口上，這通常是對客戶端唯一開放的端口。其次，讓我們可以重用并擴(kuò)展 HTTP 的 Upgrade 流，為其添加自定義的 WebSocket 首部，以完成協(xié)商。
下面我們以前面已經(jīng)演示過的發(fā)送普通文本的例子為例，來具體分析一下握手過程。
3.1.1 客戶端請求
GET ws://echo.websocket.org/ HTTP/1.1
Host: echo.websocket.org
Origin: file://
Connection: Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Version: 13
Sec-WebSocket-Key: Zx8rNEkBE4xnwifpuh8DHQ==
Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits
備注：已忽略部分 HTTP 請求頭
字段說明
Connection 必須設(shè)置 Upgrade，表示客戶端希望連接升級(jí)。
Upgrade 字段必須設(shè)置 websocket，表示希望升級(jí)到 WebSocket 協(xié)議。
Sec-WebSocket-Version 表示支持的 WebSocket 版本。RFC6455 要求使用的版本是 13，之前草案的版本均應(yīng)當(dāng)棄用。
Sec-WebSocket-Key 是隨機(jī)的字符串，服務(wù)器端會(huì)用這些數(shù)據(jù)來構(gòu)造出一個(gè) SHA-1 的信息摘要。把 “Sec-WebSocket-Key” 加上一個(gè)特殊字符串 “258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”，然后計(jì)算 SHA-1 摘要，之后進(jìn)行 Base64 編碼，將結(jié)果做為 “Sec-WebSocket-Accept” 頭的值，返回給客戶端。如此操作，可以盡量避免普通 HTTP 請求被誤認(rèn)為 WebSocket 協(xié)議。
Sec-WebSocket-Extensions 用于協(xié)商本次連接要使用的 WebSocket 擴(kuò)展：客戶端發(fā)送支持的擴(kuò)展，服務(wù)器通過返回相同的首部確認(rèn)自己支持一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)展。
Origin 字段是可選的，通常用來表示在瀏覽器中發(fā)起此 WebSocket 連接所在的頁面，類似于 Referer。但是，與 Referer 不同的是，Origin 只包含了協(xié)議和主機(jī)名稱。
3.1.2 服務(wù)端響應(yīng)
HTTP/1.1 101 Web Socket Protocol Handshake ①
Connection: Upgrade ②
Upgrade: websocket ③
Sec-WebSocket-Accept: 52Rg3vW4JQ1yWpkvFlsTsiezlqw= ④
備注：已忽略部分 HTTP 響應(yīng)頭
① 101 響應(yīng)碼確認(rèn)升級(jí)到 WebSocket 協(xié)議。
② 設(shè)置 Connection 頭的值為 "Upgrade" 來指示這是一個(gè)升級(jí)請求。HTTP 協(xié)議提供了一種特殊的機(jī)制，這一機(jī)制允許將一個(gè)已建立的連接升級(jí)成新的、不相容的協(xié)議。
③ Upgrade 頭指定一項(xiàng)或多項(xiàng)協(xié)議名，按優(yōu)先級(jí)排序，以逗號(hào)分隔。這里表示升級(jí)為 WebSocket 協(xié)議。
④ 簽名的鍵值驗(yàn)證協(xié)議支持。
介紹完 WebSocket 的握手協(xié)議，接下來阿寶哥將使用 Node.js 來開發(fā)我們的 WebSocket 服務(wù)器。
3.2 實(shí)現(xiàn)握手功能
要開發(fā)一個(gè) WebSocket 服務(wù)器，首先我們需要先實(shí)現(xiàn)握手功能，這里阿寶哥使用 Node.js 內(nèi)置的 http 模塊來創(chuàng)建一個(gè) HTTP 服務(wù)器，具體代碼如下所示：
const http = require("http");
const port = 8888;
const { generateAcceptValue } = require("./util");
const server = http.createServer((req, res) => {
res.writeHead(200, { "Content-Type": "text/plain; charset=utf-8" });
res.end("大家好，我是阿寶哥。感謝你閱讀“你不知道的WebSocket”");
});
server.on("upgrade", function (req, socket) {
if (req.headers["upgrade"] !== "websocket") {
socket.end("HTTP/1.1 400 Bad Request");
return;
}
// 讀取客戶端提供的Sec-WebSocket-Key
const secWsKey = req.headers["sec-websocket-key"];
// 使用SHA-1算法生成Sec-WebSocket-Accept
const hash = generateAcceptValue(secWsKey);
// 設(shè)置HTTP響應(yīng)頭
const responseHeaders = [
"HTTP/1.1 101 Web Socket Protocol Handshake",
"Upgrade: WebSocket",
"Connection: Upgrade",
`Sec-WebSocket-Accept: ${hash}`,
];
// 返回握手請求的響應(yīng)信息
socket.write(responseHeaders.join("\r\n") + "\r\n\r\n");
});
server.listen(port, () =>
console.log(`Server running at http://localhost:${port}`)
);
在以上代碼中，我們首先引入了 http 模塊，然后通過調(diào)用該模塊的 createServer() 方法創(chuàng)建一個(gè) HTTP 服務(wù)器，接著我們監(jiān)聽 upgrade 事件，每次服務(wù)器響應(yīng)升級(jí)請求時(shí)就會(huì)觸發(fā)該事件。由于我們的服務(wù)器只支持升級(jí)到 WebSocket 協(xié)議，所以如果客戶端請求升級(jí)的協(xié)議非 WebSocket 協(xié)議，我們將會(huì)返回 “400 Bad Request”。
當(dāng)服務(wù)器接收到升級(jí)為 WebSocket 的握手請求時(shí)，會(huì)先從請求頭中獲取 “Sec-WebSocket-Key” 的值，然后把該值加上一個(gè)特殊字符串 “258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”，然后計(jì)算 SHA-1 摘要，之后進(jìn)行 Base64 編碼，將結(jié)果做為 “Sec-WebSocket-Accept” 頭的值，返回給客戶端。
上述的過程看起來好像有點(diǎn)繁瑣，其實(shí)利用 Node.js 內(nèi)置的 crypto 模塊，幾行代碼就可以搞定了：
// util.js
const crypto = require("crypto");
const MAGIC_KEY = "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11";
function generateAcceptValue(secWsKey) {
return crypto
.createHash("sha1")
.update(secWsKey + MAGIC_KEY, "utf8")
.digest("base64");
}
開發(fā)完握手功能之后，我們可以使用前面的示例來測試一下該功能。待服務(wù)器啟動(dòng)之后，我們只要對 “發(fā)送普通文本” 示例，做簡單地調(diào)整，即把先前的 URL 地址替換成 ws://localhost:8888，就可以進(jìn)行功能驗(yàn)證。
感興趣的小伙們可以試試看，以下是阿寶哥本地運(yùn)行后的結(jié)果：
從上圖可知，我們實(shí)現(xiàn)的握手功能已經(jīng)可以正常工作了。那么握手有沒有可能失敗呢？答案是肯定的。比如網(wǎng)絡(luò)問題、服務(wù)器異?；?Sec-WebSocket-Accept 的值不正確。
下面阿寶哥修改一下 “Sec-WebSocket-Accept” 生成規(guī)則，比如修改 MAGIC_KEY 的值，然后重新驗(yàn)證一下握手功能。此時(shí)，瀏覽器的控制臺(tái)會(huì)輸出以下異常信息：
WebSocket connection to 'ws://localhost:8888/' failed: Error during WebSocket handshake: Incorrect 'Sec-WebSocket-Accept' header value
如果你的 WebSocket 服務(wù)器要支持子協(xié)議的話，你可以參考以下代碼進(jìn)行子協(xié)議的處理，阿寶哥就不繼續(xù)展開介紹了。
// 從請求頭中讀取子協(xié)議
const protocol = req.headers["sec-websocket-protocol"];
// 如果包含子協(xié)議，則解析子協(xié)議
const protocols = !protocol ? [] : protocol.split(",").map((s) => s.trim());
// 簡單起見，我們僅判斷是否含有JSON子協(xié)議
if (protocols.includes("json")) {
responseHeaders.push(`Sec-WebSocket-Protocol: json`);
}
好的，WebSocket 握手協(xié)議相關(guān)的內(nèi)容基本已經(jīng)介紹完了。下一步我們來介紹開發(fā)消息通信功能需要了解的一些基礎(chǔ)知識(shí)。
3.3 消息通信基礎(chǔ)
在 WebSocket 協(xié)議中，數(shù)據(jù)是通過一系列數(shù)據(jù)幀來進(jìn)行傳輸?shù)?。為了避免由于網(wǎng)絡(luò)中介（例如一些攔截代理）或者一些安全問題，客戶端必須在它發(fā)送到服務(wù)器的所有幀中添加掩碼。服務(wù)端收到?jīng)]有添加掩碼的數(shù)據(jù)幀以后，必須立即關(guān)閉連接。
3.3.1 數(shù)據(jù)幀格式
要實(shí)現(xiàn)消息通信，我們就必須了解 WebSocket 數(shù)據(jù)幀的格式：
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
|F|R|R|R| opcode|M| Payload len | Extended payload length |
|I|S|S|S| (4) |A| (7) | (16/64) |
|N|V|V|V| |S| | (if payload len==126/127) |
| |1|2|3| |K| | |
+-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +
| Extended payload length continued, if payload len == 127 |
+ - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+
| |Masking-key, if MASK set to 1 |
+-------------------------------+-------------------------------+
| Masking-key (continued) | Payload Data |
+-------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - +
: Payload Data continued ... :
+ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +
| Payload Data continued ... |
+---------------------------------------------------------------+
可能有一些小伙伴看到上面的內(nèi)容之后，就開始有點(diǎn) “懵逼” 了。下面我們來結(jié)合實(shí)際的數(shù)據(jù)幀來進(jìn)一步分析一下：
在上圖中，阿寶哥簡單分析了 “發(fā)送普通文本” 示例對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀格式。這里我們來進(jìn)一步介紹一下 Payload length，因?yàn)樵诤竺骈_發(fā)數(shù)據(jù)解析功能的時(shí)候，需要用到該知識(shí)點(diǎn)。
Payload length 表示以字節(jié)為單位的 “有效負(fù)載數(shù)據(jù)” 長度。它有以下幾種情形：
如果值為 0-125，那么就表示負(fù)載數(shù)據(jù)的長度。
如果是 126，那么接下來的 2 個(gè)字節(jié)解釋為 16 位的無符號(hào)整形作為負(fù)載數(shù)據(jù)的長度。
如果是 127，那么接下來的 8 個(gè)字節(jié)解釋為一個(gè) 64 位的無符號(hào)整形（最高位的 bit 必須為 0）作為負(fù)載數(shù)據(jù)的長度。
多字節(jié)長度量以網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序表示，有效負(fù)載長度是指 “擴(kuò)展數(shù)據(jù)” + “應(yīng)用數(shù)據(jù)” 的長度。“擴(kuò)展數(shù)據(jù)” 的長度可能為 0，那么有效負(fù)載長度就是 “應(yīng)用數(shù)據(jù)” 的長度。
另外，除非協(xié)商過擴(kuò)展，否則 “擴(kuò)展數(shù)據(jù)” 長度為 0 字節(jié)。在握手協(xié)議中，任何擴(kuò)展都必須指定 “擴(kuò)展數(shù)據(jù)” 的長度，這個(gè)長度如何進(jìn)行計(jì)算，以及這個(gè)擴(kuò)展如何使用。如果存在擴(kuò)展，那么這個(gè) “擴(kuò)展數(shù)據(jù)” 包含在總的有效負(fù)載長度中。
3.3.2 掩碼算法
掩碼字段是一個(gè)由客戶端隨機(jī)選擇的 32 位的值。掩碼值必須是不可被預(yù)測的。因此，掩碼必須來自強(qiáng)大的熵源（entropy），并且給定的掩碼不能讓服務(wù)器或者代理能夠很容易的預(yù)測到后續(xù)幀。掩碼的不可預(yù)測性對于預(yù)防惡意應(yīng)用的作者在網(wǎng)上暴露相關(guān)的字節(jié)數(shù)據(jù)至關(guān)重要。
掩碼不影響數(shù)據(jù)荷載的長度，對數(shù)據(jù)進(jìn)行掩碼操作和對數(shù)據(jù)進(jìn)行反掩碼操作所涉及的步驟是相同的。掩碼、反掩碼操作都采用如下算法：
j = i MOD 4
transformed-octet-i = original-octet-i XOR masking-key-octet-j
original-octet-i：為原始數(shù)據(jù)的第 i 字節(jié)。
transformed-octet-i：為轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)的第 i 字節(jié)。
masking-key-octet-j：為 mask key 第 j 字節(jié)。
為了讓小伙伴們能夠更好的理解上面掩碼的計(jì)算過程，我們來對示例中 “我是阿寶哥” 數(shù)據(jù)進(jìn)行掩碼操作。這里 “我是阿寶哥” 對應(yīng)的 UTF-8 編碼如下所示：
E6 88 91 E6 98 AF E9 98 BF E5 AE 9D E5 93 A5
而對應(yīng)的 Masking-Key 為 0x08f6efb1，根據(jù)上面的算法，我們可以這樣進(jìn)行掩碼運(yùn)算：
let uint8 = new Uint8Array([0xE6, 0x88, 0x91, 0xE6, 0x98, 0xAF, 0xE9, 0x98,
0xBF, 0xE5, 0xAE, 0x9D, 0xE5, 0x93, 0xA5]);
let maskingKey = new Uint8Array([0x08, 0xf6, 0xef, 0xb1]);
let maskedUint8 = new Uint8Array(uint8.length);
for (let i = 0, j = 0; i < uint8.length; i++, j = i % 4) {
maskedUint8[i] = uint8[i] ^ maskingKey[j];
}
console.log(Array.from(maskedUint8).map(num=>Number(num).toString(16)).join(' '));
以上代碼成功運(yùn)行后，控制臺(tái)會(huì)輸出以下結(jié)果：
ee 7e 7e 57 90 59 6 29 b7 13 41 2c ed 65 4a
上述結(jié)果與 WireShark 中的 Masked payload 對應(yīng)的值是一致的，具體如下圖所示：
在 WebSocket 協(xié)議中，數(shù)據(jù)掩碼的作用是增強(qiáng)協(xié)議的安全性。但數(shù)據(jù)掩碼并不是為了保護(hù)數(shù)據(jù)本身，因?yàn)樗惴ū旧硎枪_的，運(yùn)算也不復(fù)雜。那么為什么還要引入數(shù)據(jù)掩碼呢？引入數(shù)據(jù)掩碼是為了防止早期版本的協(xié)議中存在的代理緩存污染攻擊等問題。
了解完 WebSocket 掩碼算法和數(shù)據(jù)掩碼的作用之后，我們再來介紹一下數(shù)據(jù)分片的概念。
3.3.3 數(shù)據(jù)分片
WebSocket 的每條消息可能被切分成多個(gè)數(shù)據(jù)幀。當(dāng) WebSocket 的接收方收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，會(huì)根據(jù) FIN 的值來判斷，是否已經(jīng)收到消息的最后一個(gè)數(shù)據(jù)幀。
利用 FIN 和 Opcode，我們就可以跨幀發(fā)送消息。操作碼告訴了幀應(yīng)該做什么。如果是 0x1，有效載荷就是文本。如果是 0x2，有效載荷就是二進(jìn)制數(shù)據(jù)。但是，如果是 0x0，則該幀是一個(gè)延續(xù)幀。這意味著服務(wù)器應(yīng)該將幀的有效負(fù)載連接到從該客戶機(jī)接收到的最后一個(gè)幀。
為了讓大家能夠更好地理解上述的內(nèi)容，我們來看一個(gè)來自 MDN 上的示例：
Client: FIN=1, opcode=0x1, msg="hello"
Server: (process complete message immediately) Hi.
Client: FIN=0, opcode=0x1, msg="and a"
Server: (listening, new message containing text started)
Client: FIN=0, opcode=0x0, msg="happy new"
Server: (listening, payload concatenated to previous message)
Client: FIN=1, opcode=0x0, msg="year!"
Server: (process complete message) Happy new year to you too!
在以上示例中，客戶端向服務(wù)器發(fā)送了兩條消息。第一個(gè)消息在單個(gè)幀中發(fā)送，而第二個(gè)消息跨三個(gè)幀發(fā)送。
其中第一個(gè)消息是一個(gè)完整的消息（FIN=1 且 opcode != 0x0)，因此服務(wù)器可以根據(jù)需要進(jìn)行處理或響應(yīng)。而第二個(gè)消息是文本消息（opcode=0x1）且 FIN=0，表示消息還沒發(fā)送完成，還有后續(xù)的數(shù)據(jù)幀。該消息的所有剩余部分都用延續(xù)幀（opcode=0x0）發(fā)送，消息的最終幀用 FIN=1 標(biāo)記。
好的，簡單介紹了數(shù)據(jù)分片的相關(guān)內(nèi)容。接下來，我們來開始實(shí)現(xiàn)消息通信功能。
3.4 實(shí)現(xiàn)消息通信功能
阿寶哥把實(shí)現(xiàn)消息通信功能，分解為消息解析與消息響應(yīng)兩個(gè)子功能，下面我們分別來介紹如何實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)子功能。
3.4.1 消息解析
利用消息通信基礎(chǔ)環(huán)節(jié)中介紹的相關(guān)知識(shí)，阿寶哥實(shí)現(xiàn)了一個(gè) parseMessage 函數(shù)，用來解析客戶端傳過來的 WebSocket 數(shù)據(jù)幀。出于簡單考慮，這里只處理文本幀，具體代碼如下所示：
function parseMessage(buffer) {
// 第一個(gè)字節(jié)，包含了FIN位，opcode, 掩碼位
const firstByte = buffer.readUInt8(0);
// [FIN, RSV, RSV, RSV, OPCODE, OPCODE, OPCODE, OPCODE];
// 右移7位取首位，1位，表示是否是最后一幀數(shù)據(jù)
const isFinalFrame = Boolean((firstByte >>> 7) & 0x01);
console.log("isFIN: ", isFinalFrame);
// 取出操作碼，低四位
/**
* %x0：表示一個(gè)延續(xù)幀。當(dāng) Opcode 為 0 時(shí)，表示本次數(shù)據(jù)傳輸采用了數(shù)據(jù)分片，當(dāng)前收到的數(shù)據(jù)幀為其中一個(gè)數(shù)據(jù)分片；
* %x1：表示這是一個(gè)文本幀（text frame）；
* %x2：表示這是一個(gè)二進(jìn)制幀（binary frame）；
* %x3-7：保留的操作代碼，用于后續(xù)定義的非控制幀；
* %x8：表示連接斷開；
* %x9：表示這是一個(gè)心跳請求（ping）；
* %xA：表示這是一個(gè)心跳響應(yīng)（pong）；
* %xB-F：保留的操作代碼，用于后續(xù)定義的控制幀。
*/
const opcode = firstByte & 0x0f;
if (opcode === 0x08) {
// 連接關(guān)閉
return;
}
if (opcode === 0x02) {
// 二進(jìn)制幀
return;
}
if (opcode === 0x01) {
// 目前只處理文本幀
let offset = 1;
const secondByte = buffer.readUInt8(offset);
// MASK: 1位，表示是否使用了掩碼，在發(fā)送給服務(wù)端的數(shù)據(jù)幀里必須使用掩碼，而服務(wù)端返回時(shí)不需要掩碼
const useMask = Boolean((secondByte >>> 7) & 0x01);
console.log("use MASK: ", useMask);
const payloadLen = secondByte & 0x7f; // 低7位表示載荷字節(jié)長度
offset += 1;
// 四個(gè)字節(jié)的掩碼
let MASK = [];
// 如果這個(gè)值在0-125之間，則后面的4個(gè)字節(jié)（32位）就應(yīng)該被直接識(shí)別成掩碼；
if (payloadLen <= 0x7d) {
// 載荷長度小于125
MASK = buffer.slice(offset, 4 + offset);
offset += 4;
console.log("payload length: ", payloadLen);
} else if (payloadLen === 0x7e) {
// 如果這個(gè)值是126，則后面兩個(gè)字節(jié)（16位）內(nèi)容應(yīng)該，被識(shí)別成一個(gè)16位的二進(jìn)制數(shù)表示數(shù)據(jù)內(nèi)容大??；
console.log("payload length: ", buffer.readInt16BE(offset));
// 長度是126， 則后面兩個(gè)字節(jié)作為payload length，32位的掩碼
MASK = buffer.slice(offset + 2, offset + 2 + 4);
offset += 6;
} else {
// 如果這個(gè)值是127，則后面的8個(gè)字節(jié)（64位）內(nèi)容應(yīng)該被識(shí)別成一個(gè)64位的二進(jìn)制數(shù)表示數(shù)據(jù)內(nèi)容大小
MASK = buffer.slice(offset + 8, offset + 8 + 4);
offset += 12;
}
// 開始讀取后面的payload，與掩碼計(jì)算，得到原來的字節(jié)內(nèi)容
const newBuffer = [];
const dataBuffer = buffer.slice(offset);
for (let i = 0, j = 0; i < dataBuffer.length; i++, j = i % 4) {
const nextBuf = dataBuffer[i];
newBuffer.push(nextBuf ^ MASK[j]);
}
return Buffer.from(newBuffer).toString();
}
return "";
}
創(chuàng)建完 parseMessage 函數(shù)，我們來更新一下之前創(chuàng)建的 WebSocket 服務(wù)器：
server.on("upgrade", function (req, socket) {
socket.on("data", (buffer) => {
const message = parseMessage(buffer);
if (message) {
console.log("Message from client:" + message);
} else if (message === null) {
console.log("WebSocket connection closed by the client.");
}
});
if (req.headers["upgrade"] !== "websocket") {
socket.end("HTTP/1.1 400 Bad Request");
return;
}
// 省略已有代碼
});
更新完成之后，我們重新啟動(dòng)服務(wù)器，然后繼續(xù)使用 “發(fā)送普通文本” 的示例來測試消息解析功能。以下發(fā)送 “我是阿寶哥” 文本消息后，WebSocket 服務(wù)器輸出的信息。
Server running at http://localhost:8888
isFIN: true
use MASK: true
payload length: 15
Message from client:我是阿寶哥
通過觀察以上的輸出信息，我們的 WebSocket 服務(wù)器已經(jīng)可以成功解析客戶端發(fā)送包含普通文本的數(shù)據(jù)幀，下一步我們來實(shí)現(xiàn)消息響應(yīng)的功能。
3.4.2 消息響應(yīng)
要把數(shù)據(jù)返回給客戶端，我們的 WebSocket 服務(wù)器也得按照 WebSocket 數(shù)據(jù)幀的格式來封裝數(shù)據(jù)。與前面介紹的 parseMessage 函數(shù)一樣，阿寶哥也封裝了一個(gè) constructReply 函數(shù)用來封裝返回的數(shù)據(jù)，該函數(shù)的具體代碼如下：
function constructReply(data) {
const json = JSON.stringify(data);
const jsonByteLength = Buffer.byteLength(json);
// 目前只支持小于65535字節(jié)的負(fù)載
const lengthByteCount = jsonByteLength < 126 ? 0 : 2;
const payloadLength = lengthByteCount === 0 ? jsonByteLength : 126;
const buffer = Buffer.alloc(2 + lengthByteCount + jsonByteLength);
// 設(shè)置數(shù)據(jù)幀首字節(jié)，設(shè)置opcode為1，表示文本幀
buffer.writeUInt8(0b10000001, 0);
buffer.writeUInt8(payloadLength, 1);
// 如果payloadLength為126，則后面兩個(gè)字節(jié)（16位）內(nèi)容應(yīng)該，被識(shí)別成一個(gè)16位的二進(jìn)制數(shù)表示數(shù)據(jù)內(nèi)容大小
let payloadOffset = 2;
if (lengthByteCount > 0) {
buffer.writeUInt16BE(jsonByteLength, 2);
payloadOffset += lengthByteCount;
}
// 把JSON數(shù)據(jù)寫入到Buffer緩沖區(qū)中
buffer.write(json, payloadOffset);
return buffer;
}
創(chuàng)建完 constructReply 函數(shù)，我們再來更新一下之前創(chuàng)建的 WebSocket 服務(wù)器：
server.on("upgrade", function (req, socket) {
socket.on("data", (buffer) => {
const message = parseMessage(buffer);
if (message) {
console.log("Message from client:" + message);
// 新增以下
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