netty中的websocket

使用WebSocket 协议来实现一个基于浏览器的聊天室应用程序,图12-1 说明了该应用程序的逻辑：

（1）客户端发送一个消息；
（2）该消息将被广播到所有其他连接的客户端。

WebSocket

　　在从标准的HTTP或者HTTPS协议切换到WebSocket时，将会使用一种称为升级握手①的机制。因此，使用WebSocket的应用程序将始终以HTTP/S作为开始，然后再执行升级。这个升级动作发生的确切时刻特定于应用程序；它可能会发生在启动时，也可能会发生在请求了某个特定的URL之后。

有关WebSocket更多的信息见《websocket之一：websocket简介》

回到示例，我们的应用程序将采用下面的约定：如果被请求的URL 以/ws 结尾，那么我们将会把该协议升级为WebSocket；否则，服务器将使用基本的HTTP/S。在连接已经升级完成之后，所有数据都将会使用WebSocket 进行传输。图12-2 说明了该服务器逻辑，一如在Netty 中一样，它由一组ChannelHandler 实现。我们将会在下一节中，解释用于处理HTTP 以及WebSocket 协议的技术时，描述它们。

1、处理HTTP 请求

首先，我们将实现该处理HTTP 请求的组件。这个组件将提供用于访问聊天室并显示由连接的客户端发送的消息的网页。代码清单12-1 给出了这个HttpRequestHandler 对应的代码，其扩展了SimpleChannelInboundHandler 以处理FullHttpRequest 消息。messageReceived()方法的实现是如何转发任何目标URI 为/ws 的请求的。

主要任务有：

1、如果是ws协议，则不处理直接转发给下一个handler；

2、如果是http协议，

• 先校验是否符合http1.1规范；
• 输出html页面，用于聊天室的客户端；（见《Netty实现简单HTTP服务器》）
• 输出完index.html页面后，根据keep-alive决定是否要关闭连接；

package com.dxz.nettydemo.websocket;

import static io.netty.handler.codec.http.HttpHeaders.Names.CONTENT_TYPE;
import static io.netty.handler.codec.http.HttpResponseStatus.OK;
import static io.netty.handler.codec.http.HttpVersion.HTTP_1_1;

import java.io.File;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.net.URISyntaxException;
import java.net.URL;

import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelFutureListener;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.DefaultFileRegion;
import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;
import io.netty.handler.codec.http.DefaultFullHttpResponse;
import io.netty.handler.codec.http.DefaultHttpResponse;
import io.netty.handler.codec.http.FullHttpRequest;
import io.netty.handler.codec.http.FullHttpResponse;
import io.netty.handler.codec.http.HttpHeaders;
import io.netty.handler.codec.http.HttpResponse;
import io.netty.handler.codec.http.HttpResponseStatus;
import io.netty.handler.codec.http.HttpVersion;
import io.netty.handler.codec.http.LastHttpContent;
import io.netty.handler.ssl.SslHandler;
import io.netty.handler.stream.ChunkedNioFile;

//扩展SimpleChannelInboundHandler 以处理FullHttpRequest 消息
public class HttpRequestHandler extends SimpleChannelInboundHandler<FullHttpRequest> {
    private final String wsUri;
    private static final File INDEX;
    static {
        URL location = HttpRequestHandler.class.getProtectionDomain().getCodeSource().getLocation();
        try {
            String path = location.toURI() + "index.html";
            path = !path.contains("file:") ? path : path.substring(5);
            INDEX = new File(path);
        } catch (URISyntaxException e) {
            throw new IllegalStateException("Unable to locate index.html", e);
        }
    }

    public HttpRequestHandler(String wsUri) {
        this.wsUri = wsUri;
    }

    @Override
    protected void messageReceived(ChannelHandlerContext ctx, FullHttpRequest request) throws Exception {
        //如果请求了WebSocket协议升级，则增加引用计数（调用retain()方法），并将它传递给下一个ChannelInboundHandler
        //或者说是不处理WebSocket相关的请求，将其转发给下一个handler
        if (wsUri.equalsIgnoreCase(request.getUri())) {
            //之所以需要调用retain()方法，是因为调用channelRead()
            //方法完成之后，它将调用FullHttpRequest 对象上的release()方法以释放它的资源
            ctx.fireChannelRead(request.retain());
        } else {
            //处理100 Continue请求以符合HTTP1.1 规范
            if (HttpHeaders.is100ContinueExpected(request)) {
                send100Continue(ctx);
            }
            RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(INDEX, "r");
            /*FullHttpResponse response = new DefaultFullHttpResponse(HTTP_1_1, OK);
            //设置消息头类型
            response.headers().set(CONTENT_TYPE, "text/html; charset=UTF-8");
            //构造响应消息体
            StringBuilder buf = new StringBuilder();*/
            HttpResponse response = new DefaultHttpResponse(request.getProtocolVersion(), HttpResponseStatus.OK);
            response.headers().set(HttpHeaders.Names.CONTENT_TYPE, "text/html; charset=UTF-8");
            boolean keepAlive = HttpHeaders.isKeepAlive(request);
            //如果请求了keep-alive，    则添加所需要的HTTP头信息
            if (keepAlive) {
                response.headers().set(HttpHeaders.Names.CONTENT_LENGTH, file.length());
                response.headers().set(HttpHeaders.Names.CONNECTION, HttpHeaders.Values.KEEP_ALIVE);
            }
            //将HttpResponse    写到客户端
            ctx.write(response);
            //将index.html写到客户端
            if (ctx.pipeline().get(SslHandler.class) == null) {
                ctx.write(new DefaultFileRegion(file.getChannel(), 0, file.length()));
            } else {
                ctx.write(new ChunkedNioFile(file.getChannel()));
            }
            //写LastHttpContent并冲刷至客户端
            ChannelFuture future = ctx.writeAndFlush(LastHttpContent.EMPTY_LAST_CONTENT);
            //如果没有请求keep-alive，在写操作完成后关闭Channel
            if (!keepAlive) {
                future.addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
            }
            if(file != null) {
                try {
                    file.close();
                } catch (Exception e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    private static void send100Continue(ChannelHandlerContext ctx) {
        FullHttpResponse response = new DefaultFullHttpResponse(HttpVersion.HTTP_1_1, HttpResponseStatus.CONTINUE);
        ctx.writeAndFlush(response);
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }
}

2、处理WebSocket帧

帧类型见《websocket之一：websocket简介》中的帧类型介绍。

由IETF 发布的WebSocket RFC，定义了6 种帧，Netty 为它们每种都提供了一个POJO 实现。

WebSocketFrame 中定义的对应6种帧的类型

帧 类 型	描 述
BinaryWebSocketFrame	包含了二进制数据
TextWebSocketFrame	包含了文本数据
ContinuationWebSocketFrame	包含属于上一个BinaryWebSocketFrame或TextWebSocketFrame 的文本数据或者二进制数据
CloseWebSocketFrame	表示一个CLOSE 请求，包含一个关闭的状态码和关闭的原因
PingWebSocketFrame	请求传输一个PongWebSocketFrame
PongWebSocketFrame	作为一个对于PingWebSocketFrame 的响应被发送

我们的聊天应用程序将使用下面几种帧类型：

CloseWebSocketFrame；
PingWebSocketFrame；
PongWebSocketFrame；
TextWebSocketFrame。
TextWebSocketFrame 是我们唯一真正需要处理的帧类型。为了符合WebSocket RFC，Netty 提供了WebSocketServerProtocolHandler 来处理其他类型的帧。

package com.dxz.nettydemo.websocket;

import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;
import io.netty.channel.group.ChannelGroup;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.TextWebSocketFrame;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.WebSocketServerProtocolHandler;

public class TextWebSocketFrameHandler extends SimpleChannelInboundHandler<TextWebSocketFrame> {
    private final ChannelGroup group;

    public TextWebSocketFrameHandler(ChannelGroup group) {
        this.group = group;
    }

    //重写userEventTriggered()方法以处理自定义事件
    @Override
    public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception {
        //如果是HANDSHAKE_COMPLETE事件表示握手成功，则从该Channelipeline中移除HttpRequestHandler，
        //因为将不会接收到任何HTTP 消息了
        if (evt == WebSocketServerProtocolHandler.ServerHandshakeStateEvent.HANDSHAKE_COMPLETE) {
            ctx.pipeline().remove(HttpRequestHandler.class);
            
            //通知所有已经连接的WebSocket 客户端新的客户端已经连接上了
            group.writeAndFlush(new TextWebSocketFrame("Client " + ctx.channel() + " joined"));
            //将新的WebSocket Channel添加到ChannelGroup 中，以便它可以接收到所有的消息
            group.add(ctx.channel());
        } else {
            super.userEventTriggered(ctx, evt);
        }
    }

    @Override
    protected void messageReceived(ChannelHandlerContext arg0, TextWebSocketFrame msg) throws Exception {
        //增加消息的引用计数，并将写到ChannelGroup 中所有已经连接的客户端
        System.out.println("服务端收到："+msg.text());
        group.writeAndFlush(new TextWebSocketFrame("server ack:" + msg.text()));
        
    }
}

3、初始化ChannelPipeline

为了将ChannelHandler 安装到ChannelPipeline 中，你扩展了ChannelInitializer，并实现了initChannel()方法。

package com.dxz.nettydemo.websocket;

import io.netty.channel.Channel;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.channel.group.ChannelGroup;
import io.netty.handler.codec.http.HttpObjectAggregator;
import io.netty.handler.codec.http.HttpServerCodec;
import io.netty.handler.codec.http.websocketx.WebSocketServerProtocolHandler;
import io.netty.handler.stream.ChunkedWriteHandler;

public class ChatServerInitializer extends ChannelInitializer<Channel> {
    private final ChannelGroup group;

    public ChatServerInitializer(ChannelGroup group) {
        this.group = group;
    }

    @Override
    protected void initChannel(Channel ch) throws Exception {
        //将所有需要的ChannelHandler 添加到ChannelPipeline 中
        ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
        pipeline.addLast(new HttpServerCodec());
        pipeline.addLast(new ChunkedWriteHandler());
        pipeline.addLast(new HttpObjectAggregator(64 * 1024));
        pipeline.addLast(new HttpRequestHandler("/ws"));
        pipeline.addLast(new WebSocketServerProtocolHandler("/ws"));
        pipeline.addLast(new TextWebSocketFrameHandler(group));
    }
}

基于WebSocket 聊天服务器的ChannelHandler

ChannelHandler	职 责
HttpServerCodec	将字节解码为HttpRequest、HttpContent 和LastHttpContent。并将HttpRequest、HttpContent 和LastHttpContent 编码为字节
ChunkedWriteHandler	写入一个文件的内容
HttpObjectAggregator	将一个HttpMessage 和跟随它的多个HttpContent 聚合为单个FullHttpRequest 或者FullHttpResponse（取决于它是被用来处理请求还是响应）。安装了这个之后， ChannelPipeline 中的下一个ChannelHandler 将只会收到完整的HTTP 请求或响应
HttpRequestHandler	处理FullHttpRequest（那些不发送到/ws URI 的请求）
WebSocketServerProtocolHandler	按照WebSocket 规范的要求，处理WebSocket 升级握手、PingWebSocketFrame 、PongWebSocketFrame 和CloseWebSocketFrame
TextWebSocketFrameHandler	处理TextWebSocketFrame 和握手完成事件

Netty 的WebSocketServerProtocolHandler 处理了所有委托管理的WebSocket 帧类型以及升级握手本身。如果握手成功，那么所需的ChannelHandler 将会被添加到ChannelPipeline中，而那些不再需要的ChannelHandler 则将会被移除。

WebSocket 协议升级之前的ChannelPipeline 的状态如图12-3 所示。这代表了刚刚被ChatServerInitializer 初始化之后的ChannelPipeline。

当WebSocket 协议升级完成之后，WebSocketServerProtocolHandler 将会把HttpRequestDecoder 替换为WebSocketFrameDecoder，把HttpResponseEncoder 替换为
WebSocketFrameEncoder。为了性能最大化，它将移除任何不再被WebSocket 连接所需要的ChannelHandler。这也包括了图12-3 所示的HttpObjectAggregator 和HttpRequest
Handler。

图12-4 展示了这些操作完成之后的ChannelPipeline。需要注意的是，Netty目前支持4个版本的WebSocket协议，它们每个都具有自己的实现类。Netty将会根据客户端（这里指浏览
器）所支持的版本①，自动地选择正确版本的WebSocketFrameDecoder和WebSocketFrameEncoder。

4、引导

package com.dxz.nettydemo.websocket;

import java.net.InetSocketAddress;

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.Channel;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.group.ChannelGroup;
import io.netty.channel.group.DefaultChannelGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.util.concurrent.ImmediateEventExecutor;

public class ChatServer {
    private final ChannelGroup channelGroup = new DefaultChannelGroup(ImmediateEventExecutor.INSTANCE);
    private final EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
    private Channel channel;

    public ChannelFuture start(InetSocketAddress address) {
        ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
        bootstrap.group(group).channel(NioServerSocketChannel.class).childHandler(createInitializer(channelGroup));
        ChannelFuture future = bootstrap.bind(address);
        future.syncUninterruptibly();
        channel = future.channel();
        return future;
    }

    protected ChannelInitializer<Channel> createInitializer(ChannelGroup group) {
        return new ChatServerInitializer(group);
    }

    public void destroy() {
        if (channel != null) {
            channel.close();
        }
        channelGroup.close();
        group.shutdownGracefully();
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String portStr= "9999";
        int port = Integer.parseInt(portStr);
        final ChatServer endpoint = new ChatServer();
        ChannelFuture future = endpoint.start(new InetSocketAddress(port));
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                endpoint.destroy();
            }
        });
        future.channel().closeFuture().syncUninterruptibly();
    }
}

5、测试

启动WebSocket服务端后，浏览器访问http://localhost:9999/

点击连接和发送后，服务端收到并打印客户端发送的消息