手把手带你用Node手写WebSocket协议

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：

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。【相关教程推荐：nodejs视频教程、编程教学】

对于即时通讯等实时性要求高的场景，就需要用 websocket 了。

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。

切换过程详细来说是这样的：

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。

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。

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：

随便找个有 websocket 的网站，比如知乎就有：

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==

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

我们算算看：

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：

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：

全新的协议？那具体是什么样的协议呢？

这样的：

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

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：

比如协议的第一个字节，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。

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。

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) => {
      
    });
  }
}

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);
});

然后新建这样一个 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：

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。

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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。

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);

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;
}

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);;
}

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！

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：

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 === '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。

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：

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('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:

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？

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