基于Websocket草案10协议的升级及基于Netty的握手实现

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2022-06-17 21:06 173阅读 0赞

最近发现，WEBWW在chrome14及FF6.5中没法与后台建立连接了，后面经过查找原因，是chrome14中使用最新的websocket协议草案，而chrome12中使用的websocket协议标准还是草案7.5、7.6的标准；现在草案的最新版本是草案10,草案的链接地址为：[http://tools.ietf.org/html/draft-ietf-hybi-thewebsocketprotocol-10][http_tools.ietf.org_html_draft-ietf-hybi-thewebsocketprotocol-10]，本次协议变更比较大，主要体现在安全性和可扩展性上：

**1、握手的标准：**

> 1）、最老的websocket草案标准中是没有安全key，草案7.5、7.6中有两个安全key，而现在的草案10中只有一个安全key，即将7.5、7.6中http头中的"`Sec-WebSocket-Key1"与"Sec-WebSocket-Key2"合并为了一个"Sec-WebSocket-Key"`
> 
> 2）、把http头中Upgrade的值由"`WebSocket`"修改为了"websocket"；
> 
> 3）、把http头中的"-Origin"修改为了"Sec-WebSocket-Origin";
> 
> 4）、增加了http头"Sec-WebSocket-Accept"，用来返回原来草案7.5、7.6服务器返回给客户端的握手验证，原来是以内容的形式返回，现在是放到了http头中；另外服务器返回客户端的验证方式也变了，后面会有介绍。

**2、数据传输的格式：**

> 以下是一个格式标准图：
> 
> ![0_1318059860m8L6.gif][]  
> 
> 
> **FIN：**1位，用来表明这是一个消息的最后的消息片断，当然第一个消息片断也可能是最后的一个消息片断；
> 
> **RSV1, RSV2, RSV3:** 分别都是1位，如果双方之间没有约定自定义协议，那么这几位的值都必须为0,否则必须断掉WebSocket连接；  
> 
> 
> **Opcode:**4位操作码，定义有效负载数据，如果收到了一个未知的操作码，连接也必须断掉，以下是定义的操作码：  
>       \*  %x0 表示连续消息片断  
>       \*  %x1 表示文本消息片断  
>       \*  %x2 表未二进制消息片断  
>       \*  %x3-7 为将来的非控制消息片断保留的操作码  
>       \*  %x8 表示连接关闭  
>       \*  %x9 表示心跳检查的ping  
>       \*  %xA 表示心跳检查的pong  
>       \*  %xB-F 为将来的控制消息片断的保留操作码  
> 
> 
> **Mask:**1位，定义传输的数据是否有加掩码,如果设置为1,掩码键必须放在masking-key区域，客户端发送给服务端的所有消息，此位的值都是1；  
> 
> 
> **Payload length:** 传输数据的长度，以字节的形式表示：7位、7+16位、或者7+64位。如果这个值以字节表示是0-125这个范围，那这个值就表示传输数据的长度；如果这个值是126，则随后的两个字节表示的是一个16进制无符号数，用来表示传输数据的长度；如果这个值是127,则随后的是8个字节表示的一个64位无符合数，这个数用来表示传输数据的长度。多字节长度的数量是以网络字节的顺序表示。负载数据的长度为扩展数据及应用数据之和，扩展数据的长度可能为0,因而此时负载数据的长度就为应用数据的长度。  
> 
> 
> **Masking-key:**0或4个字节，客户端发送给服务端的数据，都是通过内嵌的一个32位值作为掩码的；掩码键只有在掩码位设置为1的时候存在。  
> **Payload data:**  (x+y)位，负载数据为扩展数据及应用数据长度之和。  
> **Extension data:**x位，如果客户端与服务端之间没有特殊约定，那么扩展数据的长度始终为0，任何的扩展都必须指定扩展数据的长度，或者长度的计算方式，以及在握手时如何确定正确的握手方式。如果存在扩展数据，则扩展数据就会包括在负载数据的长度之内。  
> **Application data:**y位，任意的应用数据，放在扩展数据之后，应用数据的长度=负载数据的长度-扩展数据的长度。

数据帧协议是按照扩展的巴科斯范式（ANBF：Augmented Backus-Naur Form [ RFC5234][RFC5234]）组成的:

ws-frame                = frame-fin
                                 frame-rsv1
                                 frame-rsv2
                                 frame-rsv3
                                 frame-opcode
                                 frame-masked
                                 frame-payload-length
                                 [ frame-masking-key ]
                                 frame-payload-data
    
       frame-fin               = %x0 ; 表示这不是当前消息的最后一帧，后面还有消息
                               / %x1 ; 表示这是当前消息的最后一帧
    
       frame-rsv1              = %x0
                                 ; 1 bit, 如果没有扩展约定，该值必须为0
    
       frame-rsv2              = %x0
                                 ; 1 bit, 如果没有扩展约定，该值必须为0
    
       frame-rsv3              = %x0
                                 ; 1 bit, 如果没有扩展约定，该值必须为0
    
       frame-opcode            = %x0 ; 表示这是一个连续帧消息
                               / %x1 ; 表示文本消息
                               / %x2 ; 表示二进制消息
                               / %x3-7 ; 保留
                               / %x8 ; 表示客户端发起的关闭
                               / %x9 ; ping（用于心跳）
                               / %xA ; pong（用于心跳）
                               / %xB-F ; 保留
    
       frame-masked            = %x0 ; 数据帧没有加掩码，后面没有掩码key
                               / %x1 ; 数据帧加了掩码，后面有掩码key
    
       frame-payload-length    = %x00-7D
                               / %x7E frame-payload-length-16
                               / %x7F frame-payload-length-63
    			   ; 表示数据帧的长度
    
       frame-payload-length-16 = %x0000-FFFF
    			   ; 表示数据帧的长度
    
       frame-payload-length-63 = %x0000000000000000-7FFFFFFFFFFFFFFF
    			   ; 表示数据帧的长度
    
       frame-masking-key       = 4( %0x00-FF ) ; 掩码key，只有当掩码位为1时出现
    
       frame-payload-data      = (frame-masked-extension-data
                                  frame-masked-application-data)   ; 当掩码位为1时，这里的数据为带掩码的数据，扩展数据及应用数据都带掩码
                               / (frame-unmasked-extension-data
                                  frame-unmasked-application-data) ; 当掩码位为0时，这里的数据为不带掩码的数据，扩展数据及应用数据都不带掩码
    
       frame-masked-extension-data     = *( %x00-FF ) ; 目前保留，以后定义
    
       frame-masked-application-data   = *( %x00-FF )
    
       frame-unmasked-extension-data   = *( %x00-FF ) ; 目前保留，以后定义
    
       frame-unmasked-application-data = *( %x00-FF )

还有一些其它的变更，详细的可以查看查案文档了，主要的应该就是上面提到的两大块。

后台Server使用的是Netty NIO框架，目前Netty官方还没有对websocket草案10的实现，只支持到草案7.6，自己根据草案标准实现netty的encode及decoder也不难，不过在非官方还是找到了Netty支持最新草案10的实现：[https://github.com/joewalnes/webbit/tree/0356ba12f5c21f8a297a5afb433215bb2f738008/src/main/java/org/webbitserver/netty][https_github.com_joewalnes_webbit_tree_0356ba12f5c21f8a297a5afb433215bb2f738008_src_main_java_org_webbitserver_netty]，呵，有现成的就用现成的了。

在后台只需要判断是最新的草案10,将Encoder及Decoder分别换成Hybi10WebSocketFrameDecoder()及Hybi10WebSocketFrameEncoder()，判断是否最新草案10的websocket协议，只需要判断请求头中是否同时包括了这两个请求头：Sec-WebSocket-Origin及Sec-WebSocket-Key，如果包含了那说明是草案10标准，如果不是再判断是否草案76或最老的草案标准，进行相应的处理。

握手的实现，首先要获取到请求头中的Sec-WebSocket-Key的值，再把这一段GUID "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"加到获取到的Sec-WebSocket-Key的值的后面，然后拿这个字符串做SHA-1 hash计算，然后再把得到的结果通过base64加密，就得到了返回给客户端的Sec-WebSocket-Accept的http响应头的值，以下是基于Netty的JAVA实现：

private HttpResponse buildWebSocketRes(HttpRequest req, boolean isWebSocketProtocolAfterDraft7) {
            String reasonPhrase = "";
            // websocket协议草案7后面的格式，可以参看wikipedia上面的说明，比较前后版本的不同：http://en.wikipedia.org/wiki/WebSocket
            reasonPhrase = "Switching Protocols";
            HttpResponse res = new DefaultHttpResponse(HttpVersion.HTTP_1_1, new HttpResponseStatus(101, reasonPhrase));
            res.addHeader(HttpHeaders.Names.UPGRADE, "websocket");
            res.addHeader(HttpHeaders.Names.CONNECTION, HttpHeaders.Values.UPGRADE);
    		String protocol = req.getHeader(Names.SEC_WEBSOCKET_PROTOCOL);
    		if (protocol != null) {
    			res.addHeader(Names.SEC_WEBSOCKET_PROTOCOL, protocol);
    		}
    		res.addHeader(SEC_WEBSOCKET_ACCEPT, getSecWebSocketAccept(req));
            return res;
        }
    	private String getSecWebSocketAccept(HttpRequest req) {
            // CHROME WEBSOCKET VERSION 8中定义的GUID，详细文档地址：http://tools.ietf.org/html/draft-ietf-hybi-thewebsocketprotocol-10
            String guid = "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11";
            String key = "";
            key = req.getHeader(SEC_WEBSOCKET_KEY);
            key += guid;
            try {
                MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
                md.update(key.getBytes("iso-8859-1"), 0, key.length());
                byte[] sha1Hash = md.digest();
                key = base64Encode(sha1Hash);
            } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
                if (logger.isErrorEnabled()) {
                    logger.error("NoSuchAlgorithmException:" + e.getMessage(), e);
                }
            } catch (UnsupportedEncodingException e) {
                if (logger.isErrorEnabled()) {
                    logger.error("UnsupportedEncodingException:" + e.getMessage(), e);
                }
            }
            return key;
        }
    	/**
         * 将输入字节数组进行base64编码，再返回编码后的字符串
         * 
         * @param input
         * @return
         */
        public static String base64Encode(byte[] input) {
            BASE64Encoder encoder = new BASE64Encoder();
            String base64 = encoder.encode(input);
            return base64;
        }

另外，最老版本的无安全Key的WebSocket的握手实现以及基于草案76以前的握手实现，可以参看我的另外一篇文章：[http://blog.csdn.net/fenglibing/article/details/6699154][http_blog.csdn.net_fenglibing_article_details_6699154]。

本文出自：**[冯立彬的博客][Link 1]**

[http_tools.ietf.org_html_draft-ietf-hybi-thewebsocketprotocol-10]: http://tools.ietf.org/html/draft-ietf-hybi-thewebsocketprotocol-10
[0_1318059860m8L6.gif]: /images/20220618/f23949246c2d431587f38ebe630e8006.png
[RFC5234]: http://tools.ietf.org/html/rfc5234
[https_github.com_joewalnes_webbit_tree_0356ba12f5c21f8a297a5afb433215bb2f738008_src_main_java_org_webbitserver_netty]: https://github.com/joewalnes/webbit/tree/0356ba12f5c21f8a297a5afb433215bb2f738008/src/main/java/org/webbitserver/netty
[http_blog.csdn.net_fenglibing_article_details_6699154]: http://blog.csdn.net/fenglibing/article/details/6699154
[Link 1]: http://www.fenglibin.com