前言
前端时间看了看t-io的websocket部分源码，于是抽时间看了看websocket的握手和他的通讯机制。本篇只是简单记录一下websocket握手部分。
WebSocket握手
好多人都用过websocket，不过有的都是在框架之上，只知道连接某个地址，然后调用js API就可以使用websocket了。但是通过阅读t-io的源码才稍微有点明白，服务端到底做了什么。将t-io的websocket demo运行起来之后，我们看一下请求。
可以看到，请求头部分：
Connection：Upgrade 固定
Upgrade：websocket 固定
Host：为websocket请求地址
Sec-WebSocket-Version:13,websocket协议版本号
Sec-WebSocket-Key:发送给服务端需要校验的key，是一个Base64 encode的值，这个是浏览器随机生成的。那么服务端如果响应的话，需要做如下操作：将 Key 追加固定字符串 ：“258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”，然后进行SHA-1加密，在转化为base64.
服务端响应如下：
Status Code：101 Switching Protocols
sec-websocket-accept：为上文中转化为base64的串。
upgrade：升级为websocket协议
握手成功，可以进行通讯。
握手源码
代码来源：tio/websocket/server/WsServerAioHandler.java
public static HttpResponse updateWebSocketProtocol(HttpRequest request, ChannelContext channelContext) {
//首先获取请求头部信息
Map<String, String> headers = request.getHeaders();
//获取Sec-WebSocket-Key
String Sec_WebSocket_Key = headers.get(HttpConst.RequestHeaderKey.Sec_WebSocket_Key);
//如果key是空的话，肯定不会握手成功
if (StringUtils.isNotBlank(Sec_WebSocket_Key)) {
//追加固定串
String Sec_WebSocket_Key_Magic = Sec_WebSocket_Key + "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11";
//SHA-1加密
byte[] key_array = SHA1Util.SHA1(Sec_WebSocket_Key_Magic);
//转化为base64
String acceptKey = BASE64Util.byteArrayToBase64(key_array);
//构造响应体
HttpResponse httpResponse = new HttpResponse(request, null);
//响应状态码 101 Switching Protocols
httpResponse.setStatus(HttpResponseStatus.C101);
Map<String, String> respHeaders = new HashMap<>();
//Connection：upgrade
respHeaders.put(HttpConst.ResponseHeaderKey.Connection, HttpConst.ResponseHeaderValue.Connection.Upgrade);
//Upgrade:websocket
respHeaders.put(HttpConst.ResponseHeaderKey.Upgrade, "WebSocket");
//Sec-WebSocket-Accept:生成的base64串
respHeaders.put(HttpConst.ResponseHeaderKey.Sec_WebSocket_Accept, acceptKey);
//设置响应头
httpResponse.setHeaders(respHeaders);
//返回响应信息 握手成功
return httpResponse;
}
return null;
}
WebSocket 数据帧解析
注：博客部分内容来源于：https://github.com/zhangkaitao/websocket-protocol/wiki/5.%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%B8%A7 有兴趣的同学可以直接读本链接内容。
相信很多人从其他博客中也看过这个图，当然啦，这个图是官方出品的权威数据帧格式图。
其实我第一眼看的时候确实看不懂，不过没关系，一点一点的看。
FIN：1bit，指示这个消息是否为最后片段，1是，0否。如果不是最后片段，则服务端需要将所有消息接受完并组装成一个完整的消息才可以。（t-io中目前只支持FIN=1）
RSV123每个长度为1bit，目前就都是固定 0。
opcode：4bit，数据操作类型。
- %x0 代表一个继续帧
- %x1 代表一个文本帧
- %x2 代表一个二进制帧
- %x3-7 保留用于未来的非控制帧
- %x8 代表连接关闭
- %x9 代表ping
- %xA 代表pong
- %xB-F 保留用于未来的控制帧
MASK:1bit,是否掩码，1掩码，0非掩码。从客户端发送到服务端的这个值必须为1，否则服务端不接受。服务端返回到客户端的这个值必须为 0.
Payload len:负载数据的长度，7bit。由于7bit只能存储0-127，所以为了能够表示准确的长度，在这个值为0-125区间的时候，payload length的长度就是该值。当 值为126的时候，后边两个字节（16位）的值表示长度。当值为127的时候，后边8字节（64位）的值表示长度。
Mask key：掩码，0或4个bit。值取决于MASK是否为1.在有掩码的情况下，数据就要根据掩码来解析。否则不用解析。解析规则为：每个字节的值与掩码的索引（字节索引值对4取模）异或运算。（array[i] = array[i] ^ mask[i % 4]）
其实说实话我也没弄得非常懂，但是基本了解了以上这些知识之后，我们就可以读懂源码的意思了。
数据帧解析源码
代码来源：tio/websocket/common/WsServerDecoder.java
代码中的注释为我自己的理解所添加的注释，不一定正确。（由于源码中有部分注释，我的注释添加“注”字以作区分）
public static WsRequest decode(ByteBuffer buf, ChannelContext channelContext) throws AioDecodeException {
WsSessionContext imSessionContext = (WsSessionContext) channelContext.getAttribute();
List<byte[]> lastParts = imSessionContext.getLastParts();
//第一阶段解析
int initPosition = buf.position();
int readableLength = buf.limit() - initPosition;
int headLength = WsPacket.MINIMUM_HEADER_LENGTH;
if (readableLength < headLength) {
return null;
}
//注：读取第一个字节 这里以 0x81举例 它的二进制为：10000001
byte first = buf.get();
//注：这个 0xff还是很有意思的，当byte类型想转为int类型的时候，比如： int res = byteValue & 0xff；
//int b = first & 0xFF; //转换成32位
// 0x80(127) 10000000
// 0x81(128) 10000001
// 此行代码说实话，我是用了很长的时间才理解，说来惭愧，刚开始连 & 操作符啥意思都不清楚。
// 按位与运算符“&”是双目运算符。其功能是参与运算的两数各对应的二进位相与。只要对应的二个二进位都为1时，结果位就为1。
// 参与运算的两个数均以补码出现。
// 0x80 & 0x81 10000000
boolean fin = (first & 0x80) > 0; //得到第8位 10000000>0
//注：这段我不理解什么意思，为什么要右移4位
@SuppressWarnings("unused")
int rsv = (first & 0x70) >>> 4;//得到5、6、7 为01110000 然后右移四位为00000111
//注：获取操作码
//0x0f 00001111 (按位与操作，前四位都为0，那么操作结果就是opCode的值)
byte opCodeByte = (byte) (first & 0x0F);//后四位为opCode 00001111
//注：转换OpCode
Opcode opcode = Opcode.valueOf(opCodeByte);
if (opcode == Opcode.CLOSE) {
//Aio.remove(channelContext, "收到opcode:" + opcode);
//return null;
}
if (!fin) {
log.error("{} 暂时不支持fin为false的请求", channelContext);
Aio.remove(channelContext, "暂时不支持fin为false的请求");
return null;
//下面这段代码不要删除，以后若支持fin，则需要的
// if (lastParts == null) {
// lastParts = new ArrayList<>();
// imSessionContext.setLastParts(lastParts);
// }
} else {
imSessionContext.setLastParts(null);
}
//注：开始解析第二个字节。8-16位，第八位为mask掩码值1或者0，后7位为payload length
byte second = buf.get(); //向后读取一个字节
//注：又是 & 操作。 0xff:11111111
// 11111111 & 10000001 = 10000001 向右移动七位，只剩下第一位的值 00000001
//所以该操作过后就知道第一位为 0 或者 1 ，得知 payload Data是否经过掩码处理
boolean hasMask = (second & 0xFF) >> 7 == 1; //用于标识PayloadData是否经过掩码处理。如果是1，Masking-key域的数据即是掩码密钥，用于解码PayloadData。客户端发出的数据帧需要进行掩码处理，所以此位是1。
// Client data must be masked
if (!hasMask) { //第9为为mask,必须为1
//throw new AioDecodeException("websocket client data must be masked");
} else {
//注：有掩码的情况下，掩码占用4个字节，所以在这里headLength + 4
headLength += 4;
}
//注：第一位为mask位置，后7位为payload length
//0x7f : 01111111
//&操作过后得到payload的值
//读取后7位 Payload legth，如果<126则payloadLength
int payloadLength = second & 0x7F;
byte[] mask = null;
//注：如果payloadLength = 126，那么说明这个值不是真正的payloadLength，后边两个字节才表示真正的length
//为126读2个字节，后两个字节为payloadLength
if (payloadLength == 126) {
//需要多占两个字节表示payloadLength。headlength + 2
headLength += 2;
if (readableLength < headLength) {
return null;
}
payloadLength = ByteBufferUtils.readUB2WithBigEdian(buf);
log.info("{} payloadLengthFlag: 126，payloadLength {}", channelContext, payloadLength);
}
//注：如果payloadLength = 127，则后 8个字节 64位长度的值表示payloadLength
//127读8个字节,后8个字节为payloadLength
else if (payloadLength == 127) {
//头部长度 + 8
headLength += 8;
if (readableLength < headLength) {
return null;
}
//注：我猜测getLong方法就读取buf中下一位长整数，即64位的payloadLength(first ,second都已经读取完)
//|first|second|payloadLength|
payloadLength = (int) buf.getLong();
log.info("{} payloadLengthFlag: 127，payloadLength {}", channelContext, payloadLength);
}
if (payloadLength < 0 || payloadLength > WsPacket.MAX_BODY_LENGTH) {
throw new AioDecodeException("body length(" + payloadLength + ") is not right");
}
if (readableLength < headLength + payloadLength) {
return null;
}
if (hasMask) {
//注：有掩码，掩码长度为4个字节，读取掩码的值
mask = ByteBufferUtils.readBytes(buf, 4);
}
//第二阶段解析
WsRequest websocketPacket = new WsRequest();
//注：设置各种属性值
websocketPacket.setWsEof(fin);
websocketPacket.setWsHasMask(hasMask);
websocketPacket.setWsMask(mask);
websocketPacket.setWsOpcode(opcode);
websocketPacket.setWsBodyLength(payloadLength);
if (payloadLength == 0) {
return websocketPacket;
}
//注：读取payloadLength长度的body值
byte[] array = ByteBufferUtils.readBytes(buf, payloadLength);
if (hasMask) {
//注：有掩码，所以需要通过掩码解析
for (int i = 0; i < array.length; i++) {
//^操作 位值相同为0 ，不同为1
// 00001111 ^ 00001010 = 00000101
array[i] = (byte) (array[i] ^ mask[i % 4]);
}
}
if (!fin) {
//lastParts.add(array);
log.error("payloadLength {}, lastParts size {}, array length {}", payloadLength, lastParts.size(), array.length);
return websocketPacket;
} else {
int allLength = array.length;
if (lastParts != null) {
for (byte[] part : lastParts) {
allLength += part.length;
}
byte[] allByte = new byte[allLength];
int offset = 0;
for (byte[] part : lastParts) {
System.arraycopy(part, 0, allByte, offset, part.length);
offset += part.length;
}
System.arraycopy(array, 0, allByte, offset, array.length);
array = allByte;
}
websocketPacket.setBody(array);
if (opcode == Opcode.BINARY) {
} else {
try {
String text = null;
text = new String(array, WsPacket.CHARSET_NAME);
websocketPacket.setWsBodyText(text);
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
log.error(e.toString(), e);
}
}
}
return websocketPacket;
}
总结
由于本人也是小菜鸟，能看懂的就那么多了，很多代码都读不懂。哎，大神就是大神啊，编码都精准到每一个bit上了。不过通过阅读源码和websocket文档对比，还是多少能够理解一些的。再次感谢开源贡献者，向所有开源大神致敬。
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