Java IO编程由浅入深 - 6 (bio实现C/S聊天室 1 )_小小白鸽的博客-程序员宅基地
技术标签： java io bio socket 网络协议 netty
定义服务端与客户端之间的通讯协议
目录
为什么要自定义传输协议
客户端与服务端通讯，要保证数据传输的安全性，同时也要保证过滤垃圾消息,同时开源的协议，基本是通用的，我这次的需求是保证内部通讯，协议是唯一性的，不能让外部客户端随意连接进来进行通讯，因此需要自定义传输协议，保证数据的安全性
定义数据传输协议
/**
* @author lhstack
* 消息编解码器，用于客户端与服务端通讯 client / server
* 自定义协议
* 第一个字节 0(必须为0) 000(0-7 区间消息类型 ping，pong，binary，text，stream) 0000(扩展类型，自定义，0-15区间)
* 第二个字节 高两位 消息长度类型 0 (byte) | 1 (short) | 2 (int) | 3(long)
* 第二个字节 第三位bit 表示是否需要掩码 0 为不需要 1 为需要
* 第二个字节 低五位 为掩码长度 如果上面设置需要掩码，则掩码长度为2 ^ 5 - 1，同时随机生成2^5-1的掩码数组，数据为0-127之间的随机数
* 后续读取，如果设置了掩码，则第一次读取为读取掩码数据，其次再根据长度类型，读取出对应的长度,如果没有设置掩码，则直接根据长度类型读取对应长度即可
* 然后根据读取到的长度，去读取body，如果进行了掩码，则对body中每个字节进行掩码即可 如 body[i] ^= maskArray[i % maskArray.length];
*/
编写我们的解编码器
package com.lhstack.bio.codec.bs;
import com.lhstack.bio.channel.ChannelHandlerContext;
import com.lhstack.bio.codec.ByteToMessageCodec;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import java.util.List;
import java.util.Random;
/**
* @author lhstack
* 消息编解码器，用于客户端与服务端通讯 client / server
* 自定义协议
* 第一个字节 0(必须为0) 000(0-7 区间消息类型 ping，pong，binary，text，stream) 0000(扩展类型，自定义，0-15区间)
* 第二个字节 高两位 消息长度类型 0 (byte) | 1 (short) | 2 (int) | 3(long)
* 第二个字节 第三位bit 表示是否需要掩码 0 为不需要 1 为需要
* 第二个字节 低五位 为掩码长度 如果上面设置需要掩码，则掩码长度为2 ^ 5 - 1，同时随机生成2^5-1的掩码数组，数据为0-127之间的随机数
* 后续读取，如果设置了掩码，则第一次读取为读取掩码数据，其次再根据长度类型，读取出对应的长度,如果没有设置掩码，则直接根据长度类型读取对应长度即可
* 然后根据读取到的长度，去读取body，如果进行了掩码，则对body中每个字节进行掩码即可 如 body[i] ^= maskArray[i % maskArray.length];
*/
public class CsMessageCodec extends ByteToMessageCodec<Message> {
enum State{
//消息类型
MESSAGE_TYPE,
//消息长度
LENGTH,
//消息掩码
MASK,
READ_LENGTH,
BODY
}
private State state = State.MESSAGE_TYPE;
private int length;
/**
* 长度类型 0 byte 1 short 2 int 3 long
*/
private int lengthType;
private int maskLength;
/**
* 消息类型
*/
private MessageType messageType;
/**
* 扩展类型
*/
private int extType;
/**
* 是否进行了掩码
*/
private boolean isMask;
private byte[] maskArray;
private static final Random RANDOM = new Random();
@Override
protected void messageEncoder(ChannelHandlerContext ctx, Message msg, ByteBuf buf) throws Exception {
int messageType = msg.getMessageType().getType();
byte b0 = 0;
//0~8 & 0x07 == 0~8 & 0b00000111 << 4 ==> (0~8 << 4 & 0b01110000)
//b0 | (messageType & 0x07) << 4 = 00000000 | (0~8 << 4 & 0b01110000)
b0 |= (messageType & 0x07) << 4;
//补齐后四位
b0 |= (msg.getExtType() & 0x0f);
buf.writeByte(b0);
byte b1 = 0;
//记录内容长度
int bodyLength = msg.getBody().length;
//获取长度类型
int lengthType = fetchLengthType(bodyLength);
//写入长度类型
b1 |= (lengthType & 0x03) << 6;
//判断是否需要mask
b1 |= msg.isMask() ? 1 << 5 : 0;
//定义maskArray
byte[] maskArray = new byte[0];
int maskLength = 0;
if(msg.isMask()){
maskLength = RANDOM.nextInt(30) + 1;
maskArray = new byte[maskLength];
for (int i = 0; i < maskArray.length; i++) {
maskArray[i] = (byte) RANDOM.nextInt(127);
}
b1 |= maskLength & 0x1f;
}
buf.writeByte(b1);
if(msg.isMask()){
buf.writeBytes(maskArray);
}
//根据内容类型，输出对应内容长度
switch (lengthType){
case 0:{
buf.writeByte(bodyLength);
}break;
case 1:{
buf.writeShort(bodyLength);
}break;
case 2:{
buf.writeInt(bodyLength);
}break;
case 3:{
buf.writeLong(bodyLength);
}break;
default:{
}
}
byte[] body = msg.getBody();
//是否进行了mask
if(msg.isMask()){
for (int i = 0; i < body.length; i++) {
body[i] = (byte) (body[i] ^ maskArray[i % maskLength]);
}
}
buf.writeBytes(body);
}
/**
* 获取消息长度类型
* @param length
* @return
*/
private int fetchLengthType(int length) {
if(length <= Byte.MAX_VALUE){
return 0;
}else if(length < Short.MAX_VALUE){
return 1;
}else if(length < Integer.MAX_VALUE){
return 2;
}
return 3;
}
@Override
protected void messageDecoder(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf buf, List<Object> out) {
//这里要循环读取，避免沾包，没有完整的读取完数据
while(buf.isReadable()){
if(this.state == State.MESSAGE_TYPE){
if(!buf.isReadable()){
return ;
}
byte b = buf.readByte();
if(!messageValid(b)){
buf.skipBytes(0);
return ;
}
this.messageType = MessageType.valueOf(touchMessageType(b));
this.extType = touchMessageExtType(b);
//设置状态为读取长度
this.state = State.LENGTH;
}
//处理长度
if(this.state == State.LENGTH){
if(!buf.isReadable()){
return ;
}
byte b = buf.readByte();
this.lengthType = touchLengthType(b);
if(isMask(b)){
this.maskLength = touchMaskLength(b);
//设置消息需要mask
this.isMask = true;
this.state = State.MASK;
}else{
this.state = State.READ_LENGTH;
}
}
/**
* 处理掩码
*/
if(this.state == State.MASK){
if(buf.isReadable() && buf.readableBytes() >= this.maskLength){
this.maskArray = new byte[this.maskLength];
buf.readBytes(this.maskArray);
this.state = State.READ_LENGTH;
}
}
if(this.state == State.READ_LENGTH){
//根据消息长度类型，获取消息的长度
switch (this.lengthType){
case 0:{
if(buf.isReadable()){
this.length = buf.readByte();
this.state = State.BODY;
}else{
return ;
}
}break;
case 1:{
if(buf.readableBytes() >= 2){
this.length = buf.readShort();
this.state = State.BODY;
}else{
return ;
}
}break;
case 2:{
if(buf.readableBytes() >= 4){
this.length = buf.readInt();
this.state = State.BODY;
}else{
return ;
}
}break;
case 3:{
if(buf.readableBytes() >= 8){
this.length = (int) buf.readLong();
this.state = State.BODY;
}else{
return ;
}
}break;
default:{
}
}
}
if(this.state == State.BODY){
if(buf.readableBytes() >= this.length){
//读取消息体
byte[] body = new byte[this.length];
buf.readBytes(body);
//是否进行掩码
if(this.isMask){
int maskLength = this.maskArray.length;
for (int i = 0; i < body.length; i++) {
body[i] = (byte) (body[i] ^ this.maskArray[i % maskLength]);
}
}
switch (messageType){
case TEXT:out.add(new TextMessage(this.extType,new String(body),this.isMask));break;
case PING:out.add(new PingMessage(this.extType));break;
case PONG:out.add(new PongMessage(this.extType));break;
case BINARY:out.add(new BinaryMessage(this.extType,body,this.isMask));break;
case STREAM:out.add(new StreamMessage(this.extType,body,this.isMask));break;
default:{
}
}
this.state = State.MESSAGE_TYPE;
}
}
}
}
/**
* 0x1f = 0b00011111 == 31
* @param b
* @return
*/
private int touchMaskLength(byte b) {
return b & 0x1f;
}
/**
* 0x20 = 0b00100000 = 32
* @param b
* @return
*/
private boolean isMask(byte b) {
return (b & 0x20) == 0x20;
}
/**
* 提取长度类型 0 byte 1 short 2 int 3 long
* 0b11111111 >>> 6 == 0b00000011
* @param b
* @return
*/
private int touchLengthType(byte b) {
return b >>> 6;
}
/**
* 提取扩展协议 0-15 0x0f == 15 == 0b00001111
* @param b
* @return
*/
private int touchMessageExtType(byte b) {
return b & 0x0f;
}
/**
* 获取消息类型 0 - 7
* 0x70 = 16 * 7 + 0 = 112 = 0b01110000
*
* @param b
* @return
*/
private int touchMessageType(byte b) {
return (b & 0x70) >>> 4;
}
/**
* 验证第一位bit是否为0 ，0x80 = 128 & b == 128 || 0
* @param b
* @return
*/
private boolean messageValid(byte b) {
return (b & 0x80) == 0;
}
}
对应的消息对象
BinaryMessage
package com.lhstack.bio.codec.bs;
/**
* @author lhstack
* 二进制
*/
public class BinaryMessage extends Message{
public BinaryMessage(byte[] body) {
this(0, body,false);
}
public BinaryMessage(int extType, byte[] body) {
this(extType, body,false);
}
public BinaryMessage(byte[] body,boolean isMask) {
this(0, body,isMask);
}
public BinaryMessage(int extType, byte[] body, boolean isMask) {
super(MessageType.BINARY, extType, body, isMask);
}
}
PingMessage
package com.lhstack.bio.codec.bs;
/**
* @author lhstack
* ping消息
*/
public class PingMessage extends Message{
public PingMessage(int extType) {
super(MessageType.PING, extType, new byte[0], false);
}
public PingMessage() {
this(0);
}
}
PongMessage
package com.lhstack.bio.codec.bs;
/**
* @author lhstack
* pong
*/
public class PongMessage extends Message{
public PongMessage(int extType) {
super(MessageType.PONG, extType, new byte[0], false);
}
public PongMessage() {
this(0);
}
}
StreamMessage
package com.lhstack.bio.codec.bs;
/**
* @author lhstack
*/
public class StreamMessage extends Message{
public StreamMessage(int extType, byte[] body) {
this(extType, body,false);
}
public StreamMessage(byte[] body) {
this(0, body,false);
}
public StreamMessage(byte[] body,boolean isMask) {
this(0, body,isMask);
}
public StreamMessage(int extType, byte[] body, boolean isMask) {
super(MessageType.STREAM, extType, body, isMask);
}
}
TextMessage
package com.lhstack.bio.codec.bs;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
/**
* @author lhstack
* text文本消息
*/
public class TextMessage extends Message{
private final String text;
public TextMessage(String msg) {
this(msg,false);
}
public TextMessage(String msg, boolean isMask) {
this(0, msg, isMask);
}
public TextMessage(int extType, String msg) {
this(extType, msg,false);
}
public TextMessage(int extType, String msg, boolean isMask) {
super(MessageType.TEXT, extType, msg.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), isMask);
this.text = msg;
}
public String text(){
return text;
}
@Override
public String toString() {
return "TextMessage{" +
"text='" + text + '\'' +
'}';
}
}
客户端与服务端进行通讯测试
服务端代码如下
public static void csMessageServer() throws Exception {
ServerBootStrap serverBootStrap = new ServerBootStrap(8080);
serverBootStrap.group(Executors.newFixedThreadPool(200))
.handler(new ChannelInitializeHandler() {
@Override
public void initializer(Channel ch) throws Exception {
ch.pipeline()
.addLast(new CsMessageCodec())
.addLast(new SimpleChannelAdapterHandler<Message>() {
@Override
public void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, Message msg) throws Exception {
System.out.println(msg);
System.out.println(new String(msg.getBody()));
ctx.writeAndFlush(new Message(1,0,"hello world".getBytes(StandardCharsets.UTF_8),true));
}
@Override
public void exceptionCatch(ChannelHandlerContext ctx, Throwable throwable) throws Exception {
throwable.printStackTrace();
}
});
}
});
serverBootStrap.start();
}
客户端代码如下
public static void csMessageClient() throws Exception {
BootStrap bootStrap = new BootStrap();
Channel channel = bootStrap.handler(new ChannelInitializeHandler() {
@Override
public void initializer(Channel ch) throws Exception {
ch.pipeline()
.addLast(new CsMessageCodec())
.addLast(new SimpleChannelAdapterHandler<Message>() {
@Override
public void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, Message msg) throws Exception {
System.out.println(new String(msg.getBody()));
ctx.writeAndFlush(new Message(1,1,("hello world，当前时间是: " + LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"))).getBytes(StandardCharsets.UTF_8),true));
}
@Override
public void exceptionCatch(ChannelHandlerContext ctx, Throwable throwable) throws Exception {
throwable.printStackTrace();
}
});
}
}).connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
channel.writeAndFlush(new Message(1,1,("hello world，当前时间是: " + LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"))).getBytes(StandardCharsets.UTF_8),true));
}
运行服务端和客户端，查看效果如下
服务端效果如下
客户端效果如下
这一期，我实现了自定义协议，同时通过设置mask的方式保证数据是否是明文还是密文传输，保证数据安全性，下一期，我将实现多个客户端之间互相通讯
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