WebSocket原理与实践(三)--解析数据帧

WebSocket原理与实践(三)--解析数据帧

1-1 理解数据帧的含义：
   在WebSocket协议中，数据是通过帧序列来传输的。为了数据安全原因，客户端必须掩码(mask)它发送到服务器的所有帧，当它收到一个
没有掩码的帧时，服务器必须关闭连接。不过服务器端给客户端发送的所有帧都不是掩码的，如果客户端检测到掩码的帧时，也一样必须关闭连接。
当帧被关闭的时候，可能发送状态码1002(协议错误)。

基本帧协议如下：

  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 ...                |
 +---------------------------------------------------------------+

如上是基本帧协议，它带有操作码(opcode)的帧类型，负载长度，和用于 "扩展数据" 与 "应用数据" 及 它们一起定义的 "负载数据"的指定位置，
某些字节和操作码保留用于未来协议的扩展。

FIN(1位)： 是否为消息的最后一个数据帧。
RSV1,RSV2,Rsv3(每个占1位)，必须是0，除非一个扩展协商为非零值定义的。
Opcode表示帧的类型（4位），例如这个传输的帧是文本类型还是二进制类型，二进制类型传输的数据可以是图片或者语音之类的。(这4位转换成16进制值表示的意思如下)：

0x0 表示附加数据帧
0x1 表示文本数据帧
0x2 表示二进制数据帧
0x3-7 暂时无定义，为以后的非控制帧保留
0x8 表示连接关闭
0x9 表示ping
0xA 表示pong
0xB-F 暂时无定义，为以后的控制帧保留

Mask(占1位)： 表示是否经过掩码处理, 1 是经过掩码的，0是没有经过掩码的。

payload length (7位+16位，或者 7位+64位)，定义负载数据的长度。
   1. 如果数据长度小于等于125的话，那么该7位用来表示实际数据长度。
   2. 如果数据长度为126到65535(2的16次方)之间，该7位值固定为126，也就是 1111110，往后扩展2个字节(16为，第三个区块表示)，用于存储数据的实际长度。
   3. 如果数据长度大于65535， 该7位的值固定为127，也就是 1111111 ，往后扩展8个字节(64位)，用于存储数据实际长度。

Masking-key(0或者4个字节)，该区块用于存储掩码密钥，只有在第二个子节中的mask为1，也就是消息进行了掩码处理时才有，否则没有，
所以服务器端向客户端发送消息就没有这一块。

Payload data 扩展数据，是0字节，除非已经协商了一个扩展。

1-2 客户端到服务器掩码
WebSocket协议要求客户端所发送的帧必须掩码，掩码的密钥是一个32位的随机值。所有数据都需要与掩码做一次异或运算。帧头在第二个字节的第一位表示该帧是否使用了掩码。
WebSocket服务器接收的每个载荷在处理之前首先需要处理掩码，解除掩码之后，服务器将得到原始消息内容。二进制消息可以直接交付。文本消息将进行UTF-8解码
并输出到字符串中。

二进制位运算符知识扩展：

>> 含义是右移运算符，
   右移运算符是将一个二进制位的操作数按指定移动的位数向右移动，移出位被丢弃，左边移出的空位一律补0.
比如 11 >> 2, 意思是说将数字11右移2位。
首先将11转换为二进制数为 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1011 , 然后把低位的最后2个数字移出，因为该数字是正数，
所以在高位补零，则得到的最终结果为：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010，转换为10进制是2.

<< 含义是左移运算符
    左移运算符是将一个二进制位的操作数按指定移动的位数向左移位，移出位被丢弃，右边的空位一律补0.
比如 3 << 2, 意思是说将数字3左移2位，
首先将3转换为二进制数为 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011 , 然后把该数字高位(左侧)的两个零移出，其他的数字都朝左平移2位，
最后在右侧的两个空位补0，因此最后的结果是 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1100，则转换为十进制是12(1100 = 1*2的3次方 + 1*2的2字方)

注意1： 在使用补码作为机器数的机器中，正数的符号位为0，负数的符号位为1(一般情况下).
           比如：十进制数13在计算机中表示为00001101,其中第一位0表示的是符号

注意2：负数的二进制位如何计算？
          比如二进制的原码为 10010101，它的补码怎么计算呢？
          首先计算它的反码是 01101010； 那么补码 = 反码 + 1 = 01101011

再来看一个列子：
-7 >> 2 意思是将数字 -7 右移2位。
负数先用它的绝对值正数取它的二进制代码，7的二进制位为： 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111 ，那么 -7的二进制位就是 取反，
取反后再加1，就变成补码。
因此-7的二进制位： 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1001，
因此 -7右移2位就成 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110 因此转换成十进制的话 -7 >> 2 ，值就变成 -2了。

数据帧解析的程序如下代码：(decodeDataFrame.js 代码如下：)

var crypto = require('crypto');

var WS = '258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11';

require('net').createServer(function(o) {
  var key;
  o.on('data', function(e) {
    if (!key) {

      key = e.toString().match(/Sec-WebSocket-Key: (.+)/)[1];

      // WS的字符串 加上 key, 变成新的字符串后做一次sha1运算，最后转换成Base64
      key = crypto.createHash('sha1').update(key+WS).digest('base64');

      // 输出字段数据，返回到客户端，
      o.write('HTTP/1.1 101 Switching Protocol\r\n');
      o.write('Upgrade: websocket\r\n');
      o.write('Connection: Upgrade\r\n');
      o.write('Sec-WebSocket-Accept:' +key+'\r\n');
      // 输出空行，使HTTP头结束
      o.write('\r\n');
    } else {
      // 数据处理
      onmessage(e);
    }
  })
}).listen(8000);
/*
 >> 含义是右移运算符，
   右移运算符是将一个二进制位的操作数按指定移动的位数向右移动，移出位被丢弃，左边移出的空位一律补0.
 比如 11 >> 2, 意思是说将数字11右移2位。
 首先将11转换为二进制数为 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1011 , 然后把低位的最后2个数字移出，因为该数字是正数，
 所以在高位补零，则得到的最终结果为：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010，转换为10进制是2.

 << 含义是左移运算符
   左移运算符是将一个二进制位的操作数按指定移动的位数向左移位，移出位被丢弃，右边的空位一律补0.
 比如 3 << 2, 意思是说将数字3左移2位，
 首先将3转换为二进制数为 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011 , 然后把该数字高位(左侧)的两个零移出，其他的数字都朝左平移2位，
 最后在右侧的两个空位补0，因此最后的结果是 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1100，则转换为十进制是12(1100 = 1*2的3次方 + 1*2的2字方)

 注意1： 在使用补码作为机器数的机器中，正数的符号位为0，负数的符号位为1(一般情况下).
       比如：十进制数13在计算机中表示为00001101,其中第一位0表示的是符号

 注意2：负数的二进制位如何计算？
       比如二进制的原码为 10010101，它的补码怎么计算呢？
       首先计算它的反码是 01101010； 那么补码 = 反码 + 1 = 01101011

 再来看一个列子：
 -7 >> 2 意思是将数字 -7 右移2位。
 负数先用它的绝对值正数取它的二进制代码，7的二进制位为： 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111 ，那么 -7的二进制位就是 取反，
 取反后再加1，就变成补码。
 因此-7的二进制位： 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1001，
 因此 -7右移2位就成 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110 因此转换成十进制的话 -7 >> 2 ，值就变成 -2了。
*/
function decodeDataFrame(e) {

  var i = 0, j, s, arrs = [],
    frame = {
      // 解析前两个字节的基本数据
      FIN: e[i] >> 7,
      Opcode: e[i++] & 15,
      Mask: e[i] >> 7,
      PayloadLength: e[i++] & 0x7F
    };

    // 处理特殊长度126和127
    if (frame.PayloadLength === 126) {
      frame.PayloadLength = (e[i++] << 8) + e[i++];
    }
    if (frame.PayloadLength === 127) {
      i += 4; // 长度一般用4个字节的整型，前四个字节一般为长整型留空的。
      frame.PayloadLength = (e[i++] << 24)+(e[i++] << 16)+(e[i++] << 8) + e[i++];
    }
    // 判断是否使用掩码
    if (frame.Mask) {
      // 获取掩码实体
      frame.MaskingKey = [e[i++], e[i++], e[i++], e[i++]];
      // 对数据和掩码做异或运算
      for(j = 0, arrs = []; j < frame.PayloadLength; j++) {
        arrs.push(e[i+j] ^ frame.MaskingKey[j%4]);
      }
    } else {
      // 否则的话 直接使用数据
      arrs = e.slice(i, i + frame.PayloadLength);
    }
    // 数组转换成缓冲区来使用
    arrs = new Buffer(arrs);
    // 如果有必要则把缓冲区转换成字符串来使用
    if (frame.Opcode === 1) {
      arrs = arrs.toString();
    }
    // 设置上数据部分
    frame.PayloadLength = arrs;
    // 返回数据帧
    return frame;
}

function onmessage(e) {
  console.log(e)
  e = decodeDataFrame(e);  // 解析数据帧
  console.log(e);  // 把数据帧输出到控制台
}

index.html代码如下：

<html>
<head>
  <title>WebSocket Demo</title>
</head>
<body>
  <script type="text/javascript">
    var ws = new WebSocket("ws://127.0.0.1:8000");
    ws.onerror = function(e) {
      console.log(e);
    };
    ws.onopen = function(e) {
      console.log('握手成功');
      ws.send('次碳酸钴');
    }
  </script>
</body>
</html>

查看github上的源码

demo还是一样，decodeDataFrame.js 和 index.html, 先进入项目中对应的目录后，使用node decodeDataFrame.js,  然后打开index.html后查看效果

如下：

这样服务器接收客户端穿过了的数据就没问题了。