基于 OpenResty 实现一个 WS 聊天室

2021-08-13 09:22:29

基于 OpenResty 实现一个 WS 聊天室

WebSocket

WebSocket 协议分析

WebSocket 协议解决了浏览器和服务器之间的全双工通信问题。在WebSocket出现之前，浏览器如果需要从服务器及时获得更新，则需要不停的对服务器主动发起请求，也就是 Web 中常用的 poll 技术。这样的操作非常低效，这是因为每发起一次新的 HTTP 请求，就需要单独开启一个新的 TCP 链接，同时 HTTP 协议本身也是一种开销非常大的协议。为了解决这些问题，所以出现了 WebSocket 协议。WebSocket 使得浏览器和服务器之间能通过一个持久的 TCP 链接就能完成数据的双向通信。关于 WebSocket 的 RFC 提案，可以参看 RFC6455。

WebSocket 和 HTTP 协议一般情况下都工作在浏览器中，但 WebSocket 是一种完全不同于 HTTP 的协议。尽管，浏览器需要通过 HTTP 协议的 GET 请求，将 HTTP 协议升级为 WebSocket 协议。升级的过程被称为握手(handshake)。当浏览器和服务器成功握手后，则可以开始根据 WebSocket 定义的通信帧格式开始通信了。像其他各种协议一样，WebSocket 协议的通信帧也分为控制数据帧和普通数据帧，前者用于控制 WebSocket 链接状态，后者用于承载数据。下面我们将一一分析 WebSocket 协议的握手过程以及通信帧格式。

WebSocket 协议的握手过程

握手的过程也就是将 HTTP 协议升级为 WebSocket 协议的过程。前面我们说过，握手开始首先由浏览器端发送一个 GET 请求开发，该请求的 HTTP 头部信息如下：

Connection: Upgrade

Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits

Sec-WebSocket-Key: lGrvj+i7B76RB3YYbScQ9g==

Sec-WebSocket-Version: 13

Upgrade: websocket

当服务器端，成功验证了以上信息后，则会返回一个形如以下信息的响应:

Connection: upgrade

Sec-WebSocket-Accept: nImJE2gpj1XLtrOb+5cBMJn7bNQ=

Upgrade: websocket

可以看到，浏览器发送的 HTTP 请求中，增加了一些新的字段，其作用如下所示：

Upgrade: 规定必需的字段，其值必需为 websocket, 如果不是则握手失败；
Connection: 规定必需的字段，值必需为 Upgrade, 如果不是则握手失败；
Sec-WebSocket-Key: 必需字段，一个随机的字符串；
Sec-WebSocket-Version: 必需字段，代表了 WebSocket 协议版本，值必需是 13, 否则握手失败；

返回的响应中，如果握手成功会返回状态码为 101 的 HTTP 响应。同时其他字段说明如下：

Upgrade: 规定必需的字段，其值必需为 websocket, 如果不是则握手失败；
Connection: 规定必需的字段，值必需为 Upgrade, 如果不是则握手失败；
Sec-WebSocket-Accept: 规定必需的字段，该字段的值是通过固定字符串258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11加上请求中Sec-WebSocket-Key字段的值，然后再对其结果通过 SHA1 哈希算法求出的结果。

当浏览器和服务器端成功握手后，就可以传送数据了，传送数据是按照 WebSocket 协议的数据格式生成的。

WebSocket 协议数据帧

数据帧的定义类似于 TCP/IP 协议的格式定义，具体看下图：

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 ...                |

+---------------------------------------------------------------+

以上这张图，一行代表 32 bit (位) ，也就是 4 bytes。总体上包含两份，帧头部和数据内容。每个从 WebSocket 链接中接收到的数据帧，都要按照以上格式进行解析，这样才能知道该数据帧是用于控制的还是用于传送数据的。

OpenResty

2.1 resty.websocket 库

模块文档:

https://github.com/openresty/lua-resty-websocket

OR 的 websocket 库已经默认安装了, 我们在此用到的是 resty.websocket.server (ws服务端)模块, server模块提供了各种函数来处理 WebSocket 定义的帧。

local server = require "resty.websocket.server"

local wb, err = server:new{

    timeout = 5000,  -- in milliseconds

    max_payload_len = 65535,

}

if not wb then

    ngx.log(ngx.ERR, "failed to new websocket: ", err)

    return ngx.exit(444)

end

Methods

new
set_timeout
send_text
send_binary
send_ping
send_pong
send_close
send_frame
recv_frame

2.2 resty.redis 模块

模块文档:

https://github.com/openresty/lua-resty-redis

resty.redis 模块实现了 Redis 官方所有的命令的同名方法, 这里主要用到的是redis的发布订阅相关功能。

local redis = require "resty.redis"

local red = redis:new()

red:set_timeout(1000) -- 1 sec

-- or connect to a unix domain socket file listened

-- by a redis server:

--     local ok, err = red:connect("unix:/path/to/redis.sock")

local ok, err = red:connect("127.0.0.1", 6379)

if not ok then

    ngx.say("failed to connect: ", err)

    return

end

Methods

subscribe 订阅频道
publish 发布信息
read_reply 接收信息

实现代码

websocket.lua

-- 简易聊天室

local server = require "resty.websocket.server"

local redis = require "resty.redis"

local channel_name = "chat"

local uname = "网友" .. tostring(math.random(10,99)) .. ": "

-- 创建 websocket 连接

local wb, err = server:new{

  timeout = 10000,

  max_payload_len = 65535

}

if not wb then

  ngx.log(ngx.ERR, "failed to create new websocket: ", err)

  return ngx.exit(444)

end

local push = function()

    -- 创建redis连接

    local red = redis:new()

    red:set_timeout(5000) -- 1 sec

    local ok, err = red:connect("172.17.0.3", 6379)

    if not ok then

        ngx.log(ngx.ERR, "failed to connect redis: ", err)

        wb:send_close()

        return

    end

    --订阅聊天频道

    local res, err = red:subscribe(channel_name)

    if not res then

        ngx.log(ngx.ERR, "failed to sub redis: ", err)

        wb:send_close()

        return

    end

    -- 死循环获取消息

    while true do

        local res, err = red:read_reply()

        if res then

            local item = res[3]

            local bytes, err = wb:send_text(item)

            if not bytes then

                -- 错误直接退出

                ngx.log(ngx.ERR, "failed to send text: ", err)

                return ngx.exit(444)

            end

        end

    end

end

-- 启用一个线程用来发送信息

local co = ngx.thread.spawn(push)

-- 主线程

while true do

    -- 如果连接损坏 退出

    if wb.fatal then

        ngx.log(ngx.ERR, "failed to receive frame: ", err)

        return ngx.exit(444)

    end

    local data, typ, err = wb:recv_frame()

    if not data then

        -- 空消息, 发送心跳

        local bytes, err = wb:send_ping()

        if not bytes then

          ngx.log(ngx.ERR, "failed to send ping: ", err)

          return ngx.exit(444)

        end

        ngx.log(ngx.ERR, "send ping: ", data)

    elseif typ == "close" then

        -- 关闭连接

        break

    elseif typ == "ping" then

        -- 回复心跳

        local bytes, err = wb:send_pong()

        if not bytes then

            ngx.log(ngx.ERR, "failed to send pong: ", err)

            return ngx.exit(444)

        end

    elseif typ == "pong" then

        -- 心跳回包

        ngx.log(ngx.ERR, "client ponged")

    elseif typ == "text" then

        -- 将消息发送到 redis 频道

        local red2 = redis:new()

        red2:set_timeout(1000) -- 1 sec

        local ok, err = red2:connect("172.17.0.3", 6379)

        if not ok then

            ngx.log(ngx.ERR, "failed to connect redis: ", err)

            break

        end

        local res, err = red2:publish(channel_name, uname .. data)

        if not res then

            ngx.log(ngx.ERR, "failed to publish redis: ", err)

        end

    end

end

wb:send_close()

ngx.thread.wait(co)

前端页面

<!DOCTYPE HTML>

<html>

<head>

    <meta charset="utf-8">

    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0, user-scalable=no">

    <style>

        p{margin:0;}

    </style>

    <script src="https://cdn.bootcss.com/jquery/3.3.1/jquery.min.js"></script>

    <script type="text/javascript">

        var ws = null;

        function WebSocketConn() {

            if (ws != null && ws.readyState == 1) {

                log("已经在线");

                return

            }

            if ("WebSocket" in window) {

                // Let us open a web socket

                ws = new WebSocket("ws://123.207.144.90/ws");

                ws.onopen = function () {

                    log('成功进入聊天室');

                };

                ws.onmessage = function (event) {

                    log(event.data)

                };

                ws.onclose = function () {

                    // websocket is closed.

                    log("已经和服务器断开");

                };

                ws.onerror = function (event) {

                    console.log("error " + event.data);

                };

            } else {

                // The browser doesn't support WebSocket

                alert("WebSocket NOT supported by your Browser!");

            }

        }

        function SendMsg() {

            if (ws != null && ws.readyState == 1) {

                var msg = document.getElementById('msgtext').value;

                ws.send(msg);

            } else {

                log('请先进入聊天室');

            }

        }

        function WebSocketClose() {

            if (ws != null && ws.readyState == 1) {

                ws.close();

                log("发送断开服务器请求");

            } else {

                log("当前没有连接服务器")

            }

        }

        function log(text) {

            var li = document.createElement('p');

            li.appendChild(document.createTextNode(text));

            //document.getElementById('log').appendChild(li);

            $("#log").prepend(li);

            return false;

        }

        WebSocketConn();

    </script>

</head>

<body>

<div id="sse">

    <a href="javascript:WebSocketConn()">进入聊天室</a> &nbsp;

    <a href="javascript:WebSocketClose()">离开聊天室</a>

    <br>

    <br>

    <input id="msgtext" type="text">

    <br>

    <a href="javascript:SendMsg()">发送信息</a>

    <br>

    <br>

    <div id="log"></div>

</div>

</body>

</html>

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WebSocket 协议的握手过程

WebSocket 协议数据帧

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