node.js 使用 net 模块模拟 websocket 握手进行数据传递操作示例

本文实例讲述了node.js 使用 net 模块模拟 websocket 握手进行数据传递操作。分享给大家供大家参考，具体如下：

websocket 是一种让浏览器与服务器之间建立持久的连接，并能进行双向数据传输的一种协议。

websocket 属性应用层协议，基于tcp传输协议，并复用http的握手通道。

一、如何进行websocket连接。

websocket复用了http的握手通道，客户端通过http请求与服务端进行协商，升级协议。协议升级完后，后面的数据交换则遵照websocket协议。

1、客户端申请协议升级

request url: ws://localhost:8888/
request method: get
connection: upgrade
upgrade: websocket
sec-websocket-version: 13
sec-websocket-key: ur5yp/bmo6m24tafcmhexw==
sec-websocket-extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits

• connection: upgrade 表示要升级协议
• upgrade: websocket 表示升级到websocket协议
• sec-websocket-version: 13 表示websocket的版本
• sec-websocket-key 表示websocket的验证，防止恶意的连接，与服务端响应的sec-websocket-accept是配套。

2、服务端响应协议升级

status code: 101 switching protocols
connection: upgrade
sec-websocket-accept: es92kxpbni6fwsckj6wxh6qeohs=
upgrade: websocket

status code：101 表示状态码，协议切换。

sec-websocket-accept 表示服务端响应的校验，与客户端的sec-websocket-key是配套的。

3、sec-websocket-accept是如何计算的

将 sec-websocket-key 的值与 258eafa5-e914-47da-95ca-c5ab0dc85b11 拼接。

然后通过sha1计算，再转成base64。

const crypto = require('crypto');
function getsecwebsocketaccept(key) {
  return crypto.createhash('sha1')
    .update(key + '258eafa5-e914-47da-95ca-c5ab0dc85b11')
    .digest('base64');
}
console.log(getsecwebsocketaccept('ur5yp/bmo6m24tafcmhexw=='));

4、协议升级完后，后续的数据传输就需要按websocket协议来走。

websocket客户端与服务端通信的最小单位是 帧，由1个或多个帧组成完整的消息。

客户端：将消息切割成多个帧，发送给服务端。

服务端：接收到消息帧，将帧重新组装成完整的消息。

5、数据帧的格式

单位是1个比特位，fin，psv1，psv2，psv3 占1个比特位，opcode占4个比特位。

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7
+-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
|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 ...        |
+---------------------------------------------------------------+

fin  占1位，用来表示该帧是否是最后一帧，1表示是，0表示不是。

rsv1，rsv2，rsv3  分别占1位，一般情况下全为0，扩展使用，值的含义由扩展进行定义。

opcode 占4位，表示如何解析后面的数据载荷(payload data)。

　　%x0 表示一个延续帧，opcode为0时，表示数据传输采用了数据分片，当前的数据帧只是其中一个数据分片。

　　%x1 表示这是一个文本帧

　　%x2 表示这是一个二进制帧

　　%x3-7 保留的操作代码，用于定义后续的非控制帧。

　　%x8 表示连接断开

　　%x9 表示这是一个ping操作

　　%xa 表示这是一个pong操作

　　%xb-f 保留的操作代码，用于定义后续的控制帧。

mask 占1位，表示是否要对数据载荷进行掩码操作。

　　客户端向服务端发数据，需要对数据进行掩码操作，服务端向客户端发数据，不需要对数据进行掩码操作。

　　如果mask为1，则masking-key中会定义一个掩码键，通过该掩码键对数据载荷进行反掩码。客户端发送给服务端的数据帧，mask都是1。

payload len 为7位，或7+16位，或7+64位，表示数据载荷的长度，单位字节。

　　如果payload len=0~125，表示，数据的长度为0~125字节。

　　如果payload len=126，表示，后续的2个字节代表一个16位的无符号整数，该整数表示数据的长度。

　　如果payload len=127，表示，后续的8个字节代表一个64位的无符号整数，该整数表示数据的长度。

　　如果payload len占用多个字节，payload len的二进制表达采用big-endian。

masking-key 占0或32位，客户端向服务端发送数据帧，数据载荷都进行了掩码操作，mask为1，且带了4字节的masking-key。如果mask为0，则没有masking-key。

注意数据载荷的长度，不包括masking-key的长度。

6、掩码的算法

masking-key掩码键是由客户端生成的32位随机数，掩码操作不会影响数据载荷的长度。

function unmask(buffer, mask) {
  const length = buffer.length;
  for (var i = 0; i < length; i++) {
    buffer[i] ^= mask[i & 3];
  }
}

7、实现websocket的握手

const crypto = require('crypto');
const net = require('net');
//计算websocket校验
function getsecwebsocketaccept(key) {
  return crypto.createhash('sha1')
    .update(key + '258eafa5-e914-47da-95ca-c5ab0dc85b11')
    .digest('base64');
}
//掩码操作
function unmask(buffer, mask) {
  const length = buffer.length;
  for (var i = 0; i < length; i++) {
    buffer[i] ^= mask[i & 3];
  }
}
//创建一个tcp服务器
let server = net.createserver(function (socket) {
  socket.once('data', function (data) {
    data = data.tostring();
    //查看请求头中是否有升级websocket协议的头信息
    if (data.match(/upgrade: websocket/)) {
      let rows = data.split('\r\n');
      //去掉第一行的请求行
      //去掉请求头的尾部两个空行
      rows = rows.slice(1, -2);
      let headers = {};
      rows.foreach(function (value) {
        let [k, v] = value.split(': ');
        headers[k] = v;
      });
      //判断websocket的版本
      if (headers['sec-websocket-version'] == 13) {
        let secwebsocketkey = headers['sec-websocket-key'];
        //计算websocket校验
        let secwebsocketaccept = getsecwebsocketaccept(secwebsocketkey);
        //服务端响应的内容
        let res = [
          'http/1.1 101 switching protocols',
          'upgrade: websocket',
          `sec-websocket-accept: ${secwebsocketaccept}`,
          'connection: upgrade',
          '\r\n'
        ].join('\r\n');
        //给客户端发送响应内容
        socket.write(res);
        //注意这里不要断开连接，继续监听'data'事件
        socket.on('data', function (buffer) {
          //注意buffer的最小单位是一个字节
          //取第一个字节的第一位，判断是否是结束位
          let fin = (buffer[0] & 0b10000000) === 0b10000000;
          //取第一个字节的后四位，得到的一个是十进制数
          let opcode = buffer[0] & 0b00001111;
          //取第二个字节的第一位是否是1，判断是否掩码操作
          let mask = buffer[1] & 0b100000000 === 0b100000000;
          //载荷数据的长度
          let payloadlength = buffer[1] & 0b01111111;
          //掩码键，占4个字节
          let maskingkey = buffer.slice(2, 6);
          //载荷数据，就是客户端发送的实际数据
          let payloaddata = buffer.slice(6);
          //对数据进行解码处理
          unmask(payloaddata, maskingkey);
          //向客户端响应数据
          let send = buffer.alloc(2 + payloaddata.length);
          //0b10000000表示发送结束
          send[0] = opcode | 0b10000000;
          //载荷数据的长度
          send[1] = payloaddata.length;
          payloaddata.copy(send, 2);
          socket.write(send);
        });
      }
    }
  });
  socket.on('error', function (err) {
    console.log(err);
  });
  socket.on('end', function () {
    console.log('连接结束');
  });
  socket.on('close', function () {
    console.log('连接关闭');
  });
});
//监听8888端口
server.listen(8888);

index.html的代码：

<!doctype html>
<html lang="zh-cn">
<head>
  <meta charset="utf-8">
  <title>document</title>
</head>
<body>
<script>
  var ws = new websocket('ws://localhost:8888');
  ws.onopen = function () {
    console.log('连接成功');
    ws.send('你好服务端');
  };
  ws.onmessage = function (ev) {
    console.log('接收数据', ev.data);
  };
  ws.onclose = function () {
    console.log('连接断开');
  };
</script>
</body>
</html>

希望本文所述对大家node.js程序设计有所帮助。