¿Cómo puedo enviar y recibir mensajes de WebSocket en el servidor?

Question 1

¿Cómo puedo enviar y recibir mensajes en el lado del servidor usando WebSocket, según el protocolo?
¿Por qué obtengo bytes aparentemente aleatorios en el servidor cuando envío datos desde el navegador al servidor? ¿Los datos están codificados de alguna manera?
¿Cómo funciona el encuadre en las direcciones servidor → cliente y cliente → servidor?

Question 2

Nota: Esta es una explicación y un pseudocódigo sobre cómo implementar un servidor muy trivial que puede manejar los mensajes WebSocket entrantes y salientes según el formato de trama definitivo. No incluye el proceso de apretón de manos. Además, esta respuesta se ha realizado con fines educativos; no es una implementación con todas las funciones.

Especificación (RFC 6455)

Enviando mensajes

(En otras palabras, servidor → navegador)

Los marcos que envía deben formatearse de acuerdo con el formato de marco de WebSocket. Para enviar mensajes, este formato es el siguiente:

un byte que contiene el tipo de datos (y alguna información adicional que está fuera del alcance de un servidor trivial)
un byte que contiene la longitud
ya sea dos u ocho bytes si la longitud no cabe en el segundo byte (el segundo byte es entonces un código que indica cuántos bytes se utilizan para la longitud)
los datos reales (sin procesar)

El primer byte será 1000 0001(o 129) para un marco de texto.

El segundo byte tiene su primer bit configurado en 0porque no estamos codificando los datos (la codificación del servidor al cliente no es obligatoria).

Es necesario determinar la longitud de los datos brutos para enviar correctamente los bytes de longitud:

si 0 <= length <= 125no necesita bytes adicionales
si 126 <= length <= 65535necesita dos bytes adicionales y el segundo byte es126
si length >= 65536necesita ocho bytes adicionales y el segundo byte es127

La longitud debe dividirse en bytes separados, lo que significa que deberá desplazar los bits hacia la derecha (con una cantidad de ocho bits) y luego solo retener los últimos ocho bits haciendo AND 1111 1111(que es 255).

Después de los bytes de longitud, vienen los datos sin procesar.

Esto conduce al siguiente pseudocódigo:

bytesFormatted[0] = 129

indexStartRawData = -1 // it doesn't matter what value is
                       // set here - it will be set now:

if bytesRaw.length <= 125
    bytesFormatted[1] = bytesRaw.length

    indexStartRawData = 2

else if bytesRaw.length >= 126 and bytesRaw.length <= 65535
    bytesFormatted[1] = 126
    bytesFormatted[2] = ( bytesRaw.length >> 8 ) AND 255
    bytesFormatted[3] = ( bytesRaw.length      ) AND 255

    indexStartRawData = 4

else
    bytesFormatted[1] = 127
    bytesFormatted[2] = ( bytesRaw.length >> 56 ) AND 255
    bytesFormatted[3] = ( bytesRaw.length >> 48 ) AND 255
    bytesFormatted[4] = ( bytesRaw.length >> 40 ) AND 255
    bytesFormatted[5] = ( bytesRaw.length >> 32 ) AND 255
    bytesFormatted[6] = ( bytesRaw.length >> 24 ) AND 255
    bytesFormatted[7] = ( bytesRaw.length >> 16 ) AND 255
    bytesFormatted[8] = ( bytesRaw.length >>  8 ) AND 255
    bytesFormatted[9] = ( bytesRaw.length       ) AND 255

    indexStartRawData = 10

// put raw data at the correct index
bytesFormatted.put(bytesRaw, indexStartRawData)


// now send bytesFormatted (e.g. write it to the socket stream)

Recibir mensajes

(En otras palabras, navegador → servidor)

Los marcos que obtienes están en el siguiente formato:

un byte que contiene el tipo de datos
un byte que contiene la longitud
ya sea dos u ocho bytes adicionales si la longitud no cabe en el segundo byte
cuatro bytes que son las máscaras (= claves de decodificación)
los datos reales

El primer byte generalmente no importa: si solo está enviando texto, solo está usando el tipo de texto. Será 1000 0001(o 129) en ese caso.

El segundo byte y los dos u ocho bytes adicionales necesitan algo de análisis, porque necesita saber cuántos bytes se utilizan para la longitud (necesita saber dónde comienzan los datos reales). Por lo general, la longitud en sí no es necesaria, ya que ya tiene los datos.

El primer bit del segundo byte es siempre, lo 1que significa que los datos están enmascarados (= codificados). Los mensajes del cliente al servidor siempre están enmascarados. Necesitas eliminar ese primer bit haciendo secondByte AND 0111 1111. Hay dos casos en los que el byte resultante no representa la longitud porque no cabe en el segundo byte:

un segundo byte de 0111 1110, o 126, significa que los siguientes dos bytes se utilizan para la longitud
un segundo byte de 0111 1111, o 127, significa que los siguientes ocho bytes se utilizan para la longitud

Los cuatro bytes de máscara se utilizan para decodificar los datos reales que se han enviado. El algoritmo de decodificación es el siguiente:

decodedByte = encodedByte XOR masks[encodedByteIndex MOD 4]

donde encodedBytees el byte original en los datos, encodedByteIndexes el índice (desplazamiento) del byte contando desde el primer byte de los datos reales , que tiene index 0. maskses una matriz que contiene los cuatro bytes de máscara.

Esto conduce al siguiente pseudocódigo para decodificar:

secondByte = bytes[1]

length = secondByte AND 127 // may not be the actual length in the two special cases

indexFirstMask = 2          // if not a special case

if length == 126            // if a special case, change indexFirstMask
    indexFirstMask = 4

else if length == 127       // ditto
    indexFirstMask = 10

masks = bytes.slice(indexFirstMask, 4) // four bytes starting from indexFirstMask

indexFirstDataByte = indexFirstMask + 4 // four bytes further

decoded = new array

decoded.length = bytes.length - indexFirstDataByte // length of real data

for i = indexFirstDataByte, j = 0; i < bytes.length; i++, j++
    decoded[j] = bytes[i] XOR masks[j MOD 4]


// now use "decoded" to interpret the received data

Question 3

Implementación de Java (si alguno lo requiere)

Lectura: cliente a servidor

        int len = 0;            
        byte[] b = new byte[buffLenth];
        //rawIn is a Socket.getInputStream();
        while(true){
            len = rawIn.read(b);
            if(len!=-1){

                byte rLength = 0;
                int rMaskIndex = 2;
                int rDataStart = 0;
                //b[0] is always text in my case so no need to check;
                byte data = b[1];
                byte op = (byte) 127;
                rLength = (byte) (data & op);

                if(rLength==(byte)126) rMaskIndex=4;
                if(rLength==(byte)127) rMaskIndex=10;

                byte[] masks = new byte[4];

                int j=0;
                int i=0;
                for(i=rMaskIndex;i<(rMaskIndex+4);i++){
                    masks[j] = b[i];
                    j++;
                }

                rDataStart = rMaskIndex + 4;

                int messLen = len - rDataStart;

                byte[] message = new byte[messLen];

                for(i=rDataStart, j=0; i<len; i++, j++){
                    message[j] = (byte) (b[i] ^ masks[j % 4]);
                }

                parseMessage(new String(message)); 
                //parseMessage(new String(b));

                b = new byte[buffLenth];

            }
        }

Escritura: servidor a cliente

public void brodcast(String mess) throws IOException{
    byte[] rawData = mess.getBytes();

    int frameCount  = 0;
    byte[] frame = new byte[10];

    frame[0] = (byte) 129;

    if(rawData.length <= 125){
        frame[1] = (byte) rawData.length;
        frameCount = 2;
    }else if(rawData.length >= 126 && rawData.length <= 65535){
        frame[1] = (byte) 126;
        int len = rawData.length;
        frame[2] = (byte)((len >> 8 ) & (byte)255);
        frame[3] = (byte)(len & (byte)255); 
        frameCount = 4;
    }else{
        frame[1] = (byte) 127;
        int len = rawData.length;
        frame[2] = (byte)((len >> 56 ) & (byte)255);
        frame[3] = (byte)((len >> 48 ) & (byte)255);
        frame[4] = (byte)((len >> 40 ) & (byte)255);
        frame[5] = (byte)((len >> 32 ) & (byte)255);
        frame[6] = (byte)((len >> 24 ) & (byte)255);
        frame[7] = (byte)((len >> 16 ) & (byte)255);
        frame[8] = (byte)((len >> 8 ) & (byte)255);
        frame[9] = (byte)(len & (byte)255);
        frameCount = 10;
    }

    int bLength = frameCount + rawData.length;

    byte[] reply = new byte[bLength];

    int bLim = 0;
    for(int i=0; i<frameCount;i++){
        reply[bLim] = frame[i];
        bLim++;
    }
    for(int i=0; i<rawData.length;i++){
        reply[bLim] = rawData[i];
        bLim++;
    }

    out.write(reply);
    out.flush();

}

Question 4

Implementación de JavaScript:

function encodeWebSocket(bytesRaw){
    var bytesFormatted = new Array();
    bytesFormatted[0] = 129;
    if (bytesRaw.length <= 125) {
        bytesFormatted[1] = bytesRaw.length;
    } else if (bytesRaw.length >= 126 && bytesRaw.length <= 65535) {
        bytesFormatted[1] = 126;
        bytesFormatted[2] = ( bytesRaw.length >> 8 ) & 255;
        bytesFormatted[3] = ( bytesRaw.length      ) & 255;
    } else {
        bytesFormatted[1] = 127;
        bytesFormatted[2] = ( bytesRaw.length >> 56 ) & 255;
        bytesFormatted[3] = ( bytesRaw.length >> 48 ) & 255;
        bytesFormatted[4] = ( bytesRaw.length >> 40 ) & 255;
        bytesFormatted[5] = ( bytesRaw.length >> 32 ) & 255;
        bytesFormatted[6] = ( bytesRaw.length >> 24 ) & 255;
        bytesFormatted[7] = ( bytesRaw.length >> 16 ) & 255;
        bytesFormatted[8] = ( bytesRaw.length >>  8 ) & 255;
        bytesFormatted[9] = ( bytesRaw.length       ) & 255;
    }
    for (var i = 0; i < bytesRaw.length; i++){
        bytesFormatted.push(bytesRaw.charCodeAt(i));
    }
    return bytesFormatted;
}

function decodeWebSocket (data){
    var datalength = data[1] & 127;
    var indexFirstMask = 2;
    if (datalength == 126) {
        indexFirstMask = 4;
    } else if (datalength == 127) {
        indexFirstMask = 10;
    }
    var masks = data.slice(indexFirstMask,indexFirstMask + 4);
    var i = indexFirstMask + 4;
    var index = 0;
    var output = "";
    while (i < data.length) {
        output += String.fromCharCode(data[i++] ^ masks[index++ % 4]);
    }
    return output;
}

Question 5

Implementación de C #

Navegador -> Servidor

    private String DecodeMessage(Byte[] bytes)
    {
        String incomingData = String.Empty;
        Byte secondByte = bytes[1];
        Int32 dataLength = secondByte & 127;
        Int32 indexFirstMask = 2;
        if (dataLength == 126)
            indexFirstMask = 4;
        else if (dataLength == 127)
            indexFirstMask = 10;

        IEnumerable<Byte> keys = bytes.Skip(indexFirstMask).Take(4);
        Int32 indexFirstDataByte = indexFirstMask + 4;

        Byte[] decoded = new Byte[bytes.Length - indexFirstDataByte];
        for (Int32 i = indexFirstDataByte, j = 0; i < bytes.Length; i++, j++)
        {
            decoded[j] = (Byte)(bytes[i] ^ keys.ElementAt(j % 4));
        }

        return incomingData = Encoding.UTF8.GetString(decoded, 0, decoded.Length);
    }

Servidor -> Navegador

    private static Byte[] EncodeMessageToSend(String message)
    {
        Byte[] response;
        Byte[] bytesRaw = Encoding.UTF8.GetBytes(message);
        Byte[] frame = new Byte[10];

        Int32 indexStartRawData = -1;
        Int32 length = bytesRaw.Length;

        frame[0] = (Byte)129;
        if (length <= 125)
        {
            frame[1] = (Byte)length;
            indexStartRawData = 2;
        }
        else if (length >= 126 && length <= 65535)
        {
            frame[1] = (Byte)126;
            frame[2] = (Byte)((length >> 8) & 255);
            frame[3] = (Byte)(length & 255);
            indexStartRawData = 4;
        }
        else
        {
            frame[1] = (Byte)127;
            frame[2] = (Byte)((length >> 56) & 255);
            frame[3] = (Byte)((length >> 48) & 255);
            frame[4] = (Byte)((length >> 40) & 255);
            frame[5] = (Byte)((length >> 32) & 255);
            frame[6] = (Byte)((length >> 24) & 255);
            frame[7] = (Byte)((length >> 16) & 255);
            frame[8] = (Byte)((length >> 8) & 255);
            frame[9] = (Byte)(length & 255);

            indexStartRawData = 10;
        }

        response = new Byte[indexStartRawData + length];

        Int32 i, reponseIdx = 0;

        //Add the frame bytes to the reponse
        for (i = 0; i < indexStartRawData; i++)
        {
            response[reponseIdx] = frame[i];
            reponseIdx++;
        }

        //Add the data bytes to the response
        for (i = 0; i < length; i++)
        {
            response[reponseIdx] = bytesRaw[i];
            reponseIdx++;
        }

        return response;
    }

Question 6

La respuesta de pimvdb implementada en python:

def DecodedCharArrayFromByteStreamIn(stringStreamIn):
    #turn string values into opererable numeric byte values
    byteArray = [ord(character) for character in stringStreamIn]
    datalength = byteArray[1] & 127
    indexFirstMask = 2 
    if datalength == 126:
        indexFirstMask = 4
    elif datalength == 127:
        indexFirstMask = 10
    masks = [m for m in byteArray[indexFirstMask : indexFirstMask+4]]
    indexFirstDataByte = indexFirstMask + 4
    decodedChars = []
    i = indexFirstDataByte
    j = 0
    while i < len(byteArray):
        decodedChars.append( chr(byteArray[i] ^ masks[j % 4]) )
        i += 1
        j += 1
    return decodedChars

Un ejemplo de uso:

fromclient = '\x81\x8c\xff\xb8\xbd\xbd\xb7\xdd\xd1\xd1\x90\x98\xea\xd2\x8d\xd4\xd9\x9c'
# this looks like "?ŒOÇ¿¢gÓ ç\Ð=«ož" in unicode, received by server
print DecodedCharArrayFromByteStreamIn(fromclient)
# ['H', 'e', 'l', 'l', 'o', ' ', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd', '!']

Question 7

Además de la función de codificación de cuadros de PHP, aquí sigue una función de decodificación:

function Decode($M){
    $M = array_map("ord", str_split($M));
    $L = $M[1] AND 127;

    if ($L == 126)
        $iFM = 4;
    else if ($L == 127)
        $iFM = 10;
    else
        $iFM = 2;

    $Masks = array_slice($M, $iFM, 4);

    $Out = "";
    for ($i = $iFM + 4, $j = 0; $i < count($M); $i++, $j++ ) {
        $Out .= chr($M[$i] ^ $Masks[$j % 4]);
    }
    return $Out;
}

He implementado esta y también otras funciones en una clase PHP de WebSocket fácil de usar aquí .

Question 8

Implementación de PHP:

function encode($message)
{
    $length = strlen($message);

    $bytesHeader = [];
    $bytesHeader[0] = 129; // 0x1 text frame (FIN + opcode)

    if ($length <= 125) {
            $bytesHeader[1] = $length;
    } else if ($length >= 126 && $length <= 65535) {
            $bytesHeader[1] = 126;
            $bytesHeader[2] = ( $length >> 8 ) & 255;
            $bytesHeader[3] = ( $length      ) & 255;
    } else {
            $bytesHeader[1] = 127;
            $bytesHeader[2] = ( $length >> 56 ) & 255;
            $bytesHeader[3] = ( $length >> 48 ) & 255;
            $bytesHeader[4] = ( $length >> 40 ) & 255;
            $bytesHeader[5] = ( $length >> 32 ) & 255;
            $bytesHeader[6] = ( $length >> 24 ) & 255;
            $bytesHeader[7] = ( $length >> 16 ) & 255;
            $bytesHeader[8] = ( $length >>  8 ) & 255;
            $bytesHeader[9] = ( $length       ) & 255;
    }

    $str = implode(array_map("chr", $bytesHeader)) . $message;

    return $str;
}

Question 9

Gracias por la respuesta, me gustaría agregar la versión de Python de hfern (arriba) para incluir la función de envío si alguien está interesado.

def DecodedWebsockRecieve(stringStreamIn):
    byteArray =  stringStreamIn 
    datalength = byteArray[1] & 127
    indexFirstMask = 2 
    if datalength == 126:
        indexFirstMask = 4
    elif datalength == 127:
        indexFirstMask = 10
    masks = [m for m in byteArray[indexFirstMask : indexFirstMask+4]]
    indexFirstDataByte = indexFirstMask + 4
    decodedChars = []
    i = indexFirstDataByte
    j = 0
    while i < len(byteArray):
        decodedChars.append( chr(byteArray[i] ^ masks[j % 4]) )
        i += 1
        j += 1
    return ''.join(decodedChars)

def EncodeWebSockSend(socket,data):
    bytesFormatted = []
    bytesFormatted.append(129)

    bytesRaw = data.encode()
    bytesLength = len(bytesRaw)
    if bytesLength <= 125 :
        bytesFormatted.append(bytesLength)
    elif bytesLength >= 126 and bytesLength <= 65535 :
        bytesFormatted.append(126)
        bytesFormatted.append( ( bytesLength >> 8 ) & 255 )
        bytesFormatted.append( bytesLength & 255 )
    else :
        bytesFormatted.append( 127 )
        bytesFormatted.append( ( bytesLength >> 56 ) & 255 )
        bytesFormatted.append( ( bytesLength >> 48 ) & 255 )
        bytesFormatted.append( ( bytesLength >> 40 ) & 255 )
        bytesFormatted.append( ( bytesLength >> 32 ) & 255 )
        bytesFormatted.append( ( bytesLength >> 24 ) & 255 )
        bytesFormatted.append( ( bytesLength >> 16 ) & 255 )
        bytesFormatted.append( ( bytesLength >>  8 ) & 255 )
        bytesFormatted.append( bytesLength & 255 )

    bytesFormatted = bytes(bytesFormatted)
    bytesFormatted = bytesFormatted + bytesRaw
    socket.send(bytesFormatted)

Uso para leer:

bufSize = 1024     
read = DecodedWebsockRecieve(socket.recv(bufSize))

Uso para escribir:

EncodeWebSockSend(sock,"hellooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo")

Question 10

Implementación en Go

Codificar parte (servidor -> navegador)

func encode (message string) (result []byte) {
  rawBytes := []byte(message)
  var idxData int

  length := byte(len(rawBytes))
  if len(rawBytes) <= 125 { //one byte to store data length
    result = make([]byte, len(rawBytes) + 2)
    result[1] = length
    idxData = 2
  } else if len(rawBytes) >= 126 && len(rawBytes) <= 65535 { //two bytes to store data length
    result = make([]byte, len(rawBytes) + 4)
    result[1] = 126 //extra storage needed
    result[2] = ( length >> 8 ) & 255
    result[3] = ( length      ) & 255
    idxData = 4
  } else {
    result = make([]byte, len(rawBytes) + 10)
    result[1] = 127
    result[2] = ( length >> 56 ) & 255
    result[3] = ( length >> 48 ) & 255
    result[4] = ( length >> 40 ) & 255
    result[5] = ( length >> 32 ) & 255
    result[6] = ( length >> 24 ) & 255
    result[7] = ( length >> 16 ) & 255
    result[8] = ( length >>  8 ) & 255
    result[9] = ( length       ) & 255
    idxData = 10
  }

  result[0] = 129 //only text is supported

  // put raw data at the correct index
  for i, b := range rawBytes {
    result[idxData + i] = b
  }
  return
}

Decodificar parte (navegador -> servidor)

func decode (rawBytes []byte) string {
  var idxMask int
  if rawBytes[1] == 126 {
    idxMask = 4
  } else if rawBytes[1] == 127 {
    idxMask = 10
  } else {
    idxMask = 2
  }

  masks := rawBytes[idxMask:idxMask + 4]
  data := rawBytes[idxMask + 4:len(rawBytes)]
  decoded := make([]byte, len(rawBytes) - idxMask + 4)

  for i, b := range data {
    decoded[i] = b ^ masks[i % 4]
  }
  return string(decoded)
}

Question 11

Clojure, la función de decodificación asume que el marco se envía como mapa de {:data byte-array-buffer :size int-size-of-buffer}, porque el tamaño real puede no ser el mismo que el de la matriz de bytes dependiendo del tamaño del fragmento de su flujo de entrada.

Código publicado aquí: https://gist.github.com/viperscape/8918565

(defn ws-decode [frame]
  "decodes websocket frame"
  (let [data (:data frame)
        dlen (bit-and (second data) 127)
        mstart (if (== dlen 127) 10 (if (== dlen 126) 4 2))
        mask (drop 2 (take (+ mstart 4) data))
        msg (make-array Byte/TYPE (- (:size frame) (+ mstart 4)))]
   (loop [i (+ mstart 4), j 0]
      (aset-byte msg j (byte (bit-xor (nth data i) (nth mask (mod j 4)))))
      (if (< i (dec(:size frame))) (recur (inc i) (inc j))))
    msg))

(defn ws-encode [data]
  "takes in bytes, return websocket frame"
  (let [len (count data)
        blen (if (> len 65535) 10 (if (> len 125) 4 2))
        buf (make-array Byte/TYPE (+ len blen))
        _ (aset-byte buf 0 -127) ;;(bit-or (unchecked-byte 0x80) 
                                           (unchecked-byte 0x1)
        _ (if (= 2 blen) 
            (aset-byte buf 1 len) ;;mask 0, len
            (do
              (dorun(map #(aset-byte buf %1 
                      (unchecked-byte (bit-and (bit-shift-right len (*(- %2 2) 8))
                                               255)))
                      (range 2 blen) (into ()(range 2 blen))))
              (aset-byte buf 1 (if (> blen 4) 127 126))))
        _ (System/arraycopy data 0 buf blen len)]
    buf))

Question 12

Implementación de C ++ (no por mí) aquí . Tenga en cuenta que cuando sus bytes superan los 65535, debe cambiar con un valor largo como se muestra aquí .