Websocket协议原理与实现(二)

数据的封装与传输

上一篇文章讲到Websocket握手协议的处理,现在开始说数据的传输。Websocket数据帧的封装和传输其实和处理握手请求的流程差不太多,都需要通过bytebuffer写入Socket的输出流或者从输入流读取。这里我们从解析数据帧开始,知道如何解析数据帧,封装也就不成话下。

我们来重新复习一下Websocket的数据传输协议

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

具体每一bit的意思
FIN      1bit 表示信息的最后一帧
RSV 1-3  1bit each 以后备用的 默认都为 0
Opcode   4bit 帧类型,稍后细说
Mask     1bit 掩码,是否加密数据,默认必须置为1
Payload  7bit 数据的长度
Masking-key      1 or 4 bit 掩码
Payload data     (x + y) bytes 数据
Extension data   x bytes  扩展数据
Application data y bytes  程序数据

其中较为重要的是Opcode字段,这个字段表示帧的类型,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。

OPCODE:4位
解释PayloadData,如果接收到未知的opcode,接收端必须关闭连接。
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

当我们解析完数据帧后,需要根据Opcode字段的类型进行对消息的不同回调处理,帧数据可以如下定义,Opcode通过枚举定义出来

public abstract interface Framedata
{
  public abstract boolean isFin();

  public abstract boolean getTransfereMasked();

  public abstract Opcode getOpcode();

  public abstract ByteBuffer getPayloadData();

  public abstract void append(Framedata paramFramedata)
throws InvalidFrameException;

  public static enum Opcode
  {
    CONTINUOUS, TEXT, BINARY, PING, PONG, CLOSING;
  }
}

解析首先得判断Fin字段和Opcode字段。这两个字段跟一个消息分片(Fragment)的概念有关,一般的已知长度的消息,Fin值为1,表示结束,Opcode值不能为0,可以看一下上面代码的枚举类型,0代表CONTINUOUS,就是说有连续的数据帧会发送过来。

而某些未知长度的消息,则需要把消息分片发送。根据我的理解,实时的语音聊天就属于这种情形。这时候前面帧的Fin值为0,Opcode值为0,最后的结束帧Fin值为1,Opcode不为0。

首先应该是读取二进制流解析数据,从bytebuffer中取出数据,按byte来读取,一个byte有8个bit,数据帧是按bit来定义的,我们还得从byte中解析出具体Websocket协议中的每一个帧。

下面是读取二进制流的代码,值得关注的是通过位与运算获取具体每一个bit的数据,另外比较麻烦的是playload的处理,以及还需要根据Mask掩码来解密数据,传输协议里面有一位Mask,代表是否加密数据,默认设置为1。这里就不细说了

public Framedata translateSingleFrame(ByteBuffer buffer) throws Draft_10.IncompleteException, InvalidDataException {
    int maxpacketsize = buffer.remaining();
    int realpacketsize = 2;
    if (maxpacketsize < realpacketsize)
        throw new IncompleteException(realpacketsize);
    byte b1 = buffer.get();
    boolean FIN = b1 >> 8 != 0;
    byte rsv = (byte) ((b1 & 0x7F) >> 4);
    if (rsv != 0)
        throw new InvalidFrameException("bad rsv " + rsv);
    byte b2 = buffer.get();
    boolean MASK = (b2 & 0xFFFFFF80) != 0;
    int payloadlength = (byte) (b2 & 0x7F);
    Framedata.Opcode optcode = toOpcode((byte) (b1 & 0xF));

    if ((!FIN) && (
            (optcode == Framedata.Opcode.PING) || (optcode == Framedata.Opcode.PONG) || (optcode == Framedata.Opcode.CLOSING))) {
        throw new InvalidFrameException("control frames may no be fragmented");
    }

    if ((payloadlength < 0) || (payloadlength > 125)) {
        if ((optcode == Framedata.Opcode.PING) || (optcode == Framedata.Opcode.PONG) || (optcode == Framedata.Opcode.CLOSING)) {
            throw new InvalidFrameException("more than 125 octets");
        }
        if (payloadlength == 126) {
            realpacketsize += 2;
            if (maxpacketsize < realpacketsize)
                throw new IncompleteException(realpacketsize);
            byte[] sizebytes = new byte[3];
            sizebytes[1] = buffer.get();
            sizebytes[2] = buffer.get();
            payloadlength = new BigInteger(sizebytes).intValue();
        } else {
            realpacketsize += 8;
            if (maxpacketsize < realpacketsize)
                throw new IncompleteException(realpacketsize);
            byte[] bytes = new byte[8];
            for (int i = 0; i < 8; i++) {
                bytes[i] = buffer.get();
            }
            long length = new BigInteger(bytes).longValue();
            if (length > 2147483647L) {
                throw new LimitExedeedException("Payloadsize is to big...");
            }
            payloadlength = (int) length;
        }

    }

    realpacketsize += (MASK ? 4 : 0);

    realpacketsize += payloadlength;

    if (maxpacketsize < realpacketsize) {
        throw new IncompleteException(realpacketsize);
    }
    ByteBuffer payload = ByteBuffer.allocate(checkAlloc(payloadlength));
    if (MASK) {
        byte[] maskskey = new byte[4];
        buffer.get(maskskey);
        for (int i = 0; i < payloadlength; i++)
            payload.put((byte) (buffer.get() ^ maskskey[(i % 4)]));
    } else {
        payload.put(buffer.array(), buffer.position(), payload.limit());
        buffer.position(buffer.position() + payload.limit());
    }
    FrameBuilder frame;
    FrameBuilder frame;
    if (optcode == Framedata.Opcode.CLOSING) {
        frame = new CloseFrameBuilder();
    } else {
        frame = new FramedataImpl1();
        frame.setFin(FIN);
        frame.setOptcode(optcode);
    }
    payload.flip();
    frame.setPayload(payload);
    return frame;
}

读取完后就是根据这个数据帧的类型来进行不同的回调

private void decodeFrames(ByteBuffer socketBuffer) {
    try {
        List frames = this.draft.translateFrame(socketBuffer);//读取二进制流
        for (Framedata f : frames) {
            if (DEBUG)
                System.out.println("matched frame: " + f);
            Framedata.Opcode curop = f.getOpcode();
            boolean fin = f.isFin();

            if (curop == Framedata.Opcode.CLOSING) {  //关闭帧
                int code = 1005;
                String reason = "";
                if ((f instanceof CloseFrame)) {
                    CloseFrame cf = (CloseFrame) f;
                    code = cf.getCloseCode();
                    reason = cf.getMessage();
                }
                if (this.readystate == WebSocket.READYSTATE.CLOSING) {
                    closeConnection(code, reason, true);
                } else if (this.draft.getCloseHandshakeType() == Draft.CloseHandshakeType.TWOWAY)
                    close(code, reason, true);
                else {
                    flushAndClose(code, reason, false);
                }
            } else if (curop == Framedata.Opcode.PING) {  //Ping
                this.wsl.onWebsocketPing(this, f);
            } else if (curop == Framedata.Opcode.PONG) {    //Pong
                this.wsl.onWebsocketPong(this, f);
            } else if ((!fin) || (curop == Framedata.Opcode.CONTINUOUS)) {    //分片消息
                if (curop != Framedata.Opcode.CONTINUOUS) {
                    if (this.current_continuous_frame_opcode != null)
                        throw new InvalidDataException(1002, "Previous continuous frame sequence not completed.");
                    this.current_continuous_frame_opcode = curop;
                } else if (fin) {
                    if (this.current_continuous_frame_opcode == null)
                        throw new InvalidDataException(1002, "Continuous frame sequence was not started.");
                    this.current_continuous_frame_opcode = null;
                } else if (this.current_continuous_frame_opcode == null) {
                    throw new InvalidDataException(1002, "Continuous frame sequence was not started.");
                }
                try {
                    this.wsl.onWebsocketMessageFragment(this, f);
                } catch (RuntimeException e) {
                    this.wsl.onWebsocketError(this, e);
                }
            } else {  //普通消息
                if (this.current_continuous_frame_opcode != null)
                    throw new InvalidDataException(1002, "Continuous frame sequence not completed.");
                if (curop == Framedata.Opcode.TEXT)   //文本消息
                    try {
                        this.wsl.onWebsocketMessage(this, Charsetfunctions.stringUtf8(f.getPayloadData()));
                    } catch (RuntimeException e) {
                        this.wsl.onWebsocketError(this, e);
                    }
                else if (curop == Framedata.Opcode.BINARY)    //二进制消息
                    try {
                        this.wsl.onWebsocketMessage(this, f.getPayloadData());
                    } catch (RuntimeException e) {
                        this.wsl.onWebsocketError(this, e);
                    }
                else
                    throw new InvalidDataException(1002, "non control or continious frame expected");
            }
        }
    } catch (InvalidDataException e1) {
        this.wsl.onWebsocketError(this, e1);
        close(e1);
        return;
    }
}

现在说一下控制帧的处理,WebSocket控制帧有3种:Close(关闭帧)、Ping以及Pong。Close关闭帧很容易理解,客户端如果接受到了就关闭连接,客户端也可以发送关闭帧给服务端。Ping和Pong是websocket里的心跳,用来保证客户端是在线的,一般来说只有服务端给客户端发送Ping,然后客户端发送Pong来回应,表明自己仍然在线。

我们来看一下Nathan RajlichJava-Websocket代码,客户端对Ping的处理很简单,把收到的Ping帧改一下Opcode的类型,就可以发送回给服务端了。可以看到客户端处理服务端发送的Pong回调的方法是空的。

public void onWebsocketPing(WebSocket conn, Framedata f) {
    FramedataImpl1 resp = new FramedataImpl1(f);
    resp.setOptcode(Framedata.Opcode.PONG);
    conn.sendFrame(resp);
}

public void onWebsocketPong(WebSocket conn, Framedata f) {
}

这篇暂时写到这里好了,下一篇写写Websocket Client和Websocket Server的实现

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