netty系列之:使用netty搭建websocket服务器

简介

websocket是一个优秀的协议，它是建立在TCP基础之上的，兼容HTTP的网络协议。通过Websocket我们可以实现客户端和服务器端的即时通讯，免除了客户端多次轮循带来的性能损耗。

既然websocket这么优秀，那么怎么在netty中使用websocket呢？

netty中的websocket

虽然websocket是一个单独的和HTTP协议完全不同的协议，但是在netty中还是将其放到了http包中。我们回想一下netty中对于各种协议的支持。如果要支持这种协议，肯定需要一个decoder和encoder编码和解码器用于对协议进行编解码。将传输的数据从ByteBuf转换到协议类型，或者将协议类型转换成为ByteBuf。

这是netty的工作核心原理，也是后续自定义netty扩展的基础。

那么对于websocket来说，是怎么样的呢？

websocket的版本

WebSocket作为一种协议，自然不是凭空而来的，通过不断的发展才到了今天的WebSocket协议。具体的webSocket的发展史我们就不去深究了。我们先看下netty提供的各种WebSocket的版本。

在WebSocketVersion类中，我们可以看到：

UNKNOWN(AsciiString.cached(StringUtil.EMPTY_STRING)),

V00(AsciiString.cached("0")),

V07(AsciiString.cached("7")),

V08(AsciiString.cached("8")),

V13(AsciiString.cached("13"));


WebSocketVersion是一个枚举类型，它里面定义了websocket的4个版本，除了UNKNOWN之外，我们可以看到websocket的版本有0，7，8，13这几个。

FrameDecoder和FrameEncoder

我们知道websocket的消息是通过frame来传递的，因为不同websocket的版本影响到的是frame的格式的不同。所以我们需要不同的FrameDecoder和FrameEncoder来在WebSocketFrame和ByteBuf之间进行转换。

既然websocket有四个版本，那么相对应的就有4个版本的decoder和encoder：

WebSocket00FrameDecoder
WebSocket00FrameEncoder
WebSocket07FrameDecoder
WebSocket07FrameEncoder
WebSocket08FrameDecoder
WebSocket08FrameEncoder
WebSocket13FrameDecoder
WebSocket13FrameEncoder


至于每个版本之间的frame有什么区别，我们这里就不细讲了，感兴趣的朋友可以关注我的后续文章。

熟悉netty的朋友应该都知道，不管是encoder还是decoder都是作用在channel中对消息进行转换的。那么在netty中对websocket的支持是怎么样的呢？

WebSocketServerHandshaker

netty提供了一个WebSocketServerHandshaker类来统一使用encoder和decoder的使用。netty提供一个工厂类WebSocketServerHandshakerFactory根据客户端请求header的websocket版本不同，来返回不同的WebSocketServerHandshaker。

public WebSocketServerHandshaker newHandshaker(HttpRequest req) {

CharSequence version = req.headers().get(HttpHeaderNames.SEC_WEBSOCKET_VERSION);
if (version != null) {
if (version.equals(WebSocketVersion.V13.toHttpHeaderValue())) {
// Version 13 of the wire protocol - RFC 6455 (version 17 of the draft hybi specification).
return new WebSocketServerHandshaker13(
webSocketURL, subprotocols, decoderConfig);
} else if (version.equals(WebSocketVersion.V08.toHttpHeaderValue())) {
// Version 8 of the wire protocol - version 10 of the draft hybi specification.
return new WebSocketServerHandshaker08(
webSocketURL, subprotocols, decoderConfig);
} else if (version.equals(WebSocketVersion.V07.toHttpHeaderValue())) {
// Version 8 of the wire protocol - version 07 of the draft hybi specification.
return new WebSocketServerHandshaker07(
webSocketURL, subprotocols, decoderConfig);
} else {
return null;
}
} else {
// Assume version 00 where version header was not specified
return new WebSocketServerHandshaker00(webSocketURL, subprotocols, decoderConfig);
}
}


同样的， 我们可以看到，netty为websocket也定义了4种不同的WebSocketServerHandshaker。

WebSocketServerHandshaker中定义了handleshake方法，通过传入channel，并向其添加encoder和decoder

public final ChannelFuture handshake(Channel channel, FullHttpRequest req,
HttpHeaders responseHeaders, final ChannelPromise promise)

p.addBefore(ctx.name(), "wsencoder", newWebSocketEncoder());
p.addBefore(ctx.name(), "wsdecoder", newWebsocketDecoder());


而添加的这两个newWebSocketEncoder和newWebsocketDecoder就是各个WebSocketServerHandshaker的具体实现中定义的。

WebSocketFrame

所有的ecode和decode都是在WebSocketFrame和ByteBuf中进行转换。WebSocketFrame继承自DefaultByteBufHolder，表示它是一个ByteBuf的容器。除了保存有ByteBuf之外，它还有两个额外的属性，分别是finalFragment和rsv。

finalFragment表示该frame是不是最后一个Frame。对于大数据量的消息来说，会将消息拆分成为不同的frame，这个属性特别有用。

我们再看一下websocket协议消息的格式：

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 ... |


rsv代表的是消息中的扩展字段，也就是RSV1,RSV2和RSV3。

除此之外就是ByteBuf的一些基本操作了。

WebSocketFrame是一个抽象类，它的具体实现类有下面几种：

BinaryWebSocketFrame
CloseWebSocketFrame
ContinuationWebSocketFrame
PingWebSocketFrame
PongWebSocketFrame
TextWebSocketFrame


BinaryWebSocketFrame和TextWebSocketFrame很好理解，他们代表消息传输的两种方式。

CloseWebSocketFrame是代表关闭连接的frame。ContinuationWebSocketFrame表示消息中多于一个frame的表示。

而PingWebSocketFrame和PongWebSocketFrame是两个特殊的frame，他们主要用来做服务器和客户端的探测。

这些frame都是跟Websocket的消息类型一一对应的，理解了websocket的消息类型，对应理解这些frame类还是很有帮助的。

netty中使用websocket

讲了这么多websocket的原理和实现类，接下来就是实战了。

在这个例子中，我们使用netty创建一个websocket server，然后使用浏览器客户端来对server进行访问。

创建websocket server和普通netty服务器的过程没有什么两样。只是在ChannelPipeline中，需要加入自定义的WebSocketServerHandler：

pipeline.addLast(new WebSocketServerHandler());


这个WebSocketServerHandler需要做什么事情呢？

它需要同时处理普通的HTTP请求和webSocket请求。

这两种请求可以通过接收到的msg类型的不同来进行判断：

public void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws IOException {
//根据消息类型，处理两种不同的消息
if (msg instanceof FullHttpRequest) {
handleHttpRequest(ctx, (FullHttpRequest) msg);
} else if (msg instanceof WebSocketFrame) {
handleWebSocketFrame(ctx, (WebSocketFrame) msg);



在客户端进行websocket连接之前，需要借用当前的channel通道，开启handleshake:

// websocket握手
WebSocketServerHandshakerFactory wsFactory = new WebSocketServerHandshakerFactory(
getWebSocketLocation(req), null, true, 5 * 1024 * 1024);
handshaker = wsFactory.newHandshaker(req);
if (handshaker == null) {
WebSocketServerHandshakerFactory.sendUnsupportedVersionResponse(ctx.channel());
} else {
handshaker.handshake(ctx.channel(), req);


我们得到handshaker之后，就可以对后续的WebSocketFrame进行处理：

private void handleWebSocketFrame(ChannelHandlerContext ctx, WebSocketFrame frame) {

// 处理各种websocket的frame信息
if (frame instanceof CloseWebSocketFrame) {
handshaker.close(ctx, (CloseWebSocketFrame) frame.retain());
return;
}
if (frame instanceof PingWebSocketFrame) {
ctx.write(new PongWebSocketFrame(frame.content().retain()));
return;
}
if (frame instanceof TextWebSocketFrame) {
// 直接返回
ctx.write(frame.retain());
return;
}
if (frame instanceof BinaryWebSocketFrame) {
// 直接返回
ctx.write(frame.retain());
}
}


这里我们只是机械的返回消息，大家可以根据自己业务逻辑的不同，对消息进行解析。

有了服务器端，客户端该怎么连接呢？很简单首选构造WebSocket对象，然后处理各种回调即可：

socket = new WebSocket("ws://127.0.0.1:8000/websocket");
socket.onmessage = function (event) {

}
socket.onopen = function(event) {
};
socket.onclose = function(event) {
};


总结

以上就是使用netty搭建websocket服务器的完整流程，本文中的服务器可以同时处理普通HTTP请求和webSocket请求，但是稍显复杂，有没有更加简单的方式呢？敬请期待。

本文的例子可以参考：learn-netty4

本文已收录于 http://www.flydean.com/23-netty-websocket-server/ 最通俗的解读，最深刻的干货，最简洁的教程，众多你不知道的小技巧等你来发现！ 欢迎关注我的公众号:「程序那些事」,懂技术，更懂你！