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跨平台长连接组件设计及可插拔改造(一)
2018-04-10 06:06:45 】 浏览:373
Tags:台长 连接 组件 设计 改造

背景

我们在提出开发跨平台组件之前, iOS 和 Android 客户端分别使用一套长连接组件,需要双倍的人力开发和维护;在产品需求调整上,为了在实现细节上保持一致性也具有一定的难度;Web 端与客户端长连接的形式不同,前者使用 WebSocket,后者使用 Socket ,无形中也增加了后端的维护成本。为了解决这些问题,我们基于 WebSocket 协议开发了一套跨平台的长连接组件。

架构介绍

组件自上而下分为五层:

  • Native 层:负责业务请求封装和数据解析,与原生进行交互
  • Chat 层:负责提供底层通信使用的 c 接口,包含连接、读写和关闭
  • Websocket 层:实现 websocket 协议及维护心跳
  • TLS 层 :基于 mbedTLS 实现 TLS 协议及数据加解密
  • TCP 层:基于 libuv 实现 TCP 连接和数据的读写

整体架构如下图所示:

TCP 层

TCP 层我们是基于 libuv 进行开发, libuv 是一个异步 I/O 库,并且支持了多个平台( Linux ,Windows 和 Darwin ),一开始主要应用于开发 Node.js ,后来逐渐在其他项目也开始使用。文件、 网络和管道 等操作是 I/O 操作 ,libuv 为此抽象出了相关的接口,底层使用各平台上最优的 I/O 模型实现。

它的核心是提供了一个 event loop ,每个 event loop 包含了六个阶段:

  • timers 阶段:这个阶段执行 timer( setTimeout 、 setInterval )的回调
  • I/O callbacks 阶段:执行一些系统调用错误,比如网络通信的错误回调
  • idle , prepare 阶段:仅 node 内部使用
  • poll 阶段:获取新的 I/O 事件, 适当的条件下 node 将阻塞在这里
  • check 阶段:执行 setImmediate() 的回调
  • close callbacks 阶段:执行 socket 的 close 事件回调

TLS 层

mbedTLS(前身PolarSSL)是实现了一套易用的加解密算法和 SSL / TLS 库。TLS 以及前身 SSL 是传输层安全协议,给网络通信提供安全和数据完整性的保障,所以它能很好的解决数据明文和劫持篡改的问题。并且其分为记录层和传输层,记录层用来确定传输层数据的封装格式,传输层则用于数据传输,而在传输之前,通信双方需要经过握手,其包含了双方身份验证协商加密算法交换加密密钥

Websocket 层

Websocket 层包含了对协议的实现和心跳的维护。

其最新的协议是 13 RFC 6455。协议的实现分为握手,数据发送/读取,关闭连接。

握手

握手要从请求头去理解。

WebSocket 首先发起一个 HTTP 请求,在请求头加上 Upgrade 字段,该字段用于改变 HTTP 协议版本或者是换用其他协议,这里我们把 Upgrade 的值设为 websocket ,将它升级为 WebSocket 协议。

同时要注意 Sec-WebSocket-Key 字段,它由客户端生成并发给服务端,用于证明服务端接收到的是一个可受信的连接握手,可以帮助服务端排除自身接收到的由非 WebSocket 客户端发起的连接,该值是一串随机经过 base64 编码的字符串。

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13

收到请求后,服务端也会做一次响应:

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

里面重要的是 Sec-WebSocket-Accept ,服务端通过从客户端请求头中读取 Sec-WebSocket-Key 与一串全局唯一的标识字符串(俗称魔串)“258EAFA5-E914-47DA- 95CA-C5AB0DC85B11”做拼接,生成长度为160位的 SHA-1 字符串,然后进行 base64 编码,作为 Sec-WebSocket-Accept 的值回传给客户端,客户端再去解析这个值,与自己加密编码后的字符串进行比较。

处理握手 HTTP 响应解析的时候,可以用 http-paser ,解析方式也比较简单,就是对头信息的逐字读取再处理,具体处理你可以看一下它的状态机实现。解析完成后你需要对其内容进行解析,看返回是否正确,同时去管理你的握手状态。

数据发送/读取

数据的处理需要用帧协议图来说明:

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

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