webSocket 服务器端的简单实现

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上周研究了一下HTML5.
发现很多令人激动的功能。
路漫漫其修远兮，吾将上下而求索！

1. 内置数据库
2. 支持WebSocket
3. 支持多线程
4. 支持本地存储

但是，仍然处于草案中的 WebSocket 竟然找不到合适的服务器，刚好工作比较闲，用来三天时间自己写了一个。
功能有点简单！设计上也有很大缺陷。只能简单的发送信息，和推送信息。
而且现在的协议还不成熟，不久就有一个版本出现！昨天看到才是V16，今天出V17了。

简单介绍一下 WebSocket 它是实现了浏览器与服务器的全双工信息传输。Websocket协议基于Http 的 Upgrade 头和101的响应进行协议切换。经过简单的握手协议，建立一个长连接，按照协议的规则进行数据的传输。具体介绍可以参考google.

1.握手协议
版本0--3中：
握手通过请求头Sec-WebSocket-Key1 和 Sec-WebSocket-Key2 的值和 8 字节的请求实体，进行MD5加密，将加密结果，构造出一个16字节作为请求实体的内容返回。如下实例：
------------------请求--------------------------------------------

Java代码

1. GET /demo HTTP/1.1
2. Host: example.com
3. Connection: Upgrade
4. Sec-WebSocket-Key2: 12998 5 Y3 1 .P00
5. Sec-WebSocket-Protocol: sample
6. Upgrade: WebSocket
7. Sec-WebSocket-Key1: 4 @1 46546xW%0l 1 5
8. Origin: http://example.com
9. (\r\n)
10. ^n:ds[4U

------------------响应--------------------------------------------

Java代码

1. HTTP/1.1 101 WebSocket Protocol Handshake
2. Upgrade: WebSocket
3. Connection: Upgrade
4. Sec-WebSocket-Origin: http://example.com
5. Sec-WebSocket-Location: ws://example.com/demo
6. Sec-WebSocket-Protocol: sample
7. (\r\n)
8. 8jKS'y:G*Co,Wxa-

------------------------------------------------------------------

把第一个Key中的数字除以第一个Key的空白字符的数量，而第二个Key也是如此，这样得到两个整数，把每个整数写的四个字节里去，串为8个字 节，然后和请求实体里面的8个字节串为16字节，将这16个字节进行MD5加密（如实例中的结果：8jKS'y:G*Co,Wxa-），得到一个16字节 的数据作为响应实体的内容，返回给客户端，这样握手成功。


代码实现：

Java代码

1. int len = 8; // in.available();
2. byte[] key3 = new byte[len];
3. if (in.read(key3) != len)
4. throw new RuntimeException();
5. log.debug(HelpUtil.formatBytes(key3));
6. String key1 = requestHeaders.get("Sec-WebSocket-Key1");
7. String key2 = requestHeaders.get("Sec-WebSocket-Key2");
8. int k1 = HelpUtil.parseWebsokcetKey(key1);
9. int k2 = HelpUtil.parseWebsokcetKey(key2);
11. byte[] sixteenByte = new byte[16];
12. System.arraycopy(HelpUtil.intTo4Byte(k1), 0, sixteenByte, 0, 4);
13. System.arraycopy(HelpUtil.intTo4Byte(k2), 0, sixteenByte, 4, 4);
14. System.arraycopy(key3, 0, sixteenByte, 8, 8);
15. byte[] md5 = MessageDigest.getInstance("MD5").digest(sixteenByte);

在版本4之后，握手协议修改了：
------------------请求--------------------------------------------

Java代码

1. GET /chat HTTP/1.1
2. Host: server.example.com
3. Upgrade: websocket
4. Connection: Upgrade
5. Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
6. Sec-WebSocket-Origin: http://example.com
7. Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
8. (\r\n)

------------------响应--------------------------------------------

Java代码

1. HTTP/1.1 101 Switching Protocols
2. Upgrade: websocket
3. Connection: Upgrade
4. Sec-WebSocket-Accept: me89jWimTRKTWwrS3aRrL53YZSo=
5. Sec-WebSocket-Nonce: AQIDBAUGBwgJCgsMDQ4PEC==
6. Sec-WebSocket-Protocol: chat

使用请求头的值 Sec-WebSocket-Key，该值是BASE-64编码（base64-encoded）的，我们不需要转码，加上一个魔幻字符串： "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"，（结果： [dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11]）使用 SHA-1 加密，之后进行 BASE-64编码，将结果做为 Sec-WebSocket-Accept 头的值，返回给客户端。
如果服务器端有 Sec-WebSocket-Nonce 头，表示要在Sec-WebSocket-Key 的值，和魔幻字符串之间加入该 Sec-WebSocket-Nonce 头的值，即“dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==AQIDBAUGBwgJCgsMDQ4PEC==258EAFA5- E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”，进行 SHA-1 加密，之后和前面的相同。完成握手协议。

Java代码

1. public static final String GUID = "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11";
2. public static final String HEADER_CODE = "iso-8859-1";
4. String code = requestHeaders.get("Sec-WebSocket-Key") + GUID;
5. byte[] bts = MessageDigest.getInstance("SHA1").digest(code.getBytes(HEADER_CODE));
6. code = HelpUtil.getBASE64(bts);
7. resMap.put("Sec-WebSocket-Accept", code);

握手完成就是数据帧的传输了。

在版本 0 中， 数据帧比较的简单。数据帧以 0x00 开头，以0xFF结尾，中间的数据以utf-8编码的字符就可以了。当然这个简单的格式只能用来传输字符串。无法传输字节流。所以 版本 1 就做了修改了，后面的版本绝大部分是兼容的。
后面的这个帧结构就有点复杂了，如下所示（一行是4个字节,32 bit）：

Java代码

1. 0 1 2 3
2. 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
3. +-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
4. |M|R|R|R| opcode|R| Payload len | Extended payload length |
5. |O|S|S|S| (4) |S| (7) | (16/63) |
6. |R|V|V|V| |V| | (if payload len==126/127) |
7. |E|1|2|3| |4| | |
8. +-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +
9. | Extended payload length continued, if payload len == 127 |
10. + - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+
11. | | Extension data |
12. +-------------------------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +
13. : :
14. +---------------------------------------------------------------+
15. : Application data :
16. +---------------------------------------------------------------+

(后续的版本略有修改)

获取数据长度

Java代码

1. int dataLen = bt & PAYLOADLEN;
3. if (dataLen == HAS_EXTEND_DATA) {// read next 16 bit
4. bt = in.read();
5. b2 = in.read();
6. fram.setDateLength(HelpUtil.toShort((byte) bt, (byte) b2));
7. } else if (dataLen == HAS_EXTEND_DATA_CONTINUE) {// read next 32 bit
8. byte[] bts = new byte[8];
9. if (in.read(bts) != 8){
10. //fram.setOpcode
11. throw new RuntimeException(
12. "reader Payload-Len-Extended-Continued data length < 64 bit");
13. }
14. fram.setDateLength(HelpUtil.toLong(bts));
15. } else {
16. fram.setDateLength(dataLen);
17. }

[MORE] 表示一个数据通过多个帧进行传输， 如果是 0 表示后面还有数据帧，如果是 1 则表示是最后一个帧。
[RSV1][RSV2][RSV3][RSV4] 未做定义暂时全为零。
[opcode] 标识数据的格式，以及帧的控制，如：08标识数据内容是 文本，01标识：要求远端去关闭当前连接。
[Payload len] 如果小于126 表示后面的数据长度是 [Payload len] 的值。（最大125byte）
等于 126 表示之后的16 bit位的数据值标识数据的长度。（最大65535byte）
等于 127 表示之后的64 bit位的数据值标识数据的长度。（一个有符号长整型的最大值）
[Extension data]没有提及怎么使用。
[Application data] 为应用提供的数据。

版本7之后，添加了 MASK 的概念。相当于对数据加密。而且要求客户端必须是MASK的。

Java代码

1. 0 1 2 3
2. 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
3. +-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
4. |F|R|R|R| opcode|M| Payload len | Extended payload length |
5. |I|S|S|S| (4) |A| (7) | (16/63) |
6. |N|V|V|V| |S| | (if payload len==126/127) |
7. | |1|2|3| |K| | |
8. +-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +
9. | Extended payload length continued, if payload len == 127 |
10. + - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+
11. | |Masking-key, if MASK set to 1 |
12. +-------------------------------+-------------------------------+
13. | Masking-key (continued) | Payload Data |
14. +-------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - +
15. : Payload Data continued ... :
16. + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +
17. | Payload Data continued ... |
18. +---------------------------------------------------------------+

[opcode] 01标识数据内容是 文本，08标识 ： 要求远端去关闭当前连接。
[MASK]（即原先的RSV4）如果是 1 则数据是被 MASK 的。
[Masking-key] 如果MASK为 1 则有4字节的 Masking-key，用于与传输的数据 [Payload Data] 进行异或运算，4byte（32bit）进行一次运算，不足四位从前往后对应，如只有三位，则只与[Masking-key]的前三位进行运算。

解码 MASK 数据，使用了一个过滤流

Java代码

1. @Override
2. public int read() throws IOException {
3. if (readLength >= length)
4. return -1;
5. int b = 0;
6. synchronized (lock) {
7. if (readLength >= length)
8. return -1;
9. b = super.read();
10. if (isMask) {
11. b ^= maskKey[(int) (readLength % 4)];
12. }
13. readLength++;
14. }
15. return b;
16. }

关于流的关闭：一般情况我们可以直接 使用socket.close() 进行关闭，客户端JS状态会显示 webSocket.readyState 的值为 2 （正在关闭的状态）。需要我们通过握手去要求远端关闭流。
有三个版本：
在版本 0 时：传两个字节 （0xff,0x00）;
在版本 1--6 时：传三个字节 （0x80,0x01,0x00）;
在版本 7--以上 时：传两个字节 （0x88,0x00）;

经测试 只有 在版本 7--以上 时：传两个字节 （0x88,0x00）; 这时可以实现 webSocket.readyState 的值为 3。
估计是我的代码有问题。如有发现请告知，谢谢！

websocket 协议： http://tools.ietf.org/html/draft-ietf-hybi-thewebsocketprotocol-10 （其他版本查看相关链接）
源码SVN地址：http://lineblog.googlecode.com/svn/trunk/ 下面的目录
httpAnalysis/src/com/googlecode/lineblog/websocket/
或者后面的地址下载源码