webSocket 服务器端的简单实现

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);  
10.   
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";  
3.   
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;  
2.   
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/