Entwicklung eines benutzerdefinierten Binärprotokolls für Node.js- und WebSockets-basierte Anwendungen mit Autorisierung über JWT

Einführung

Die Entwicklung effizienter und sicherer Anwendungen erfordert nicht nur eine durchdachte API, sondern auch die richtige Wahl des Datenübertragungsprotokolls. Webanwendungen verwenden in der Regel textbasierte Formate wieJSONoderXML, aber für Hochleistungssysteme, die eineminimale Latenzund ein geringes Datenübertragungsvolumen erfordern, kann es von Vorteil sein, binäre Protokolle zu verwenden. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie ein benutzerdefiniertes Binärprotokoll fürNode.jsundWebSockets-basierte Anwendungenentwickeln, eine Autorisierung überJWThinzufügen und die Vorteile eines Binärprotokolls gegenüber anderen Datenformaten erkunden.

Warum ein Binärprotokoll?

Vorteile des Binärprotokolls:

• Effizienz:Binäre Protokolle sind kompakter als textbasierte Formate (z. B. JSON). Sie ermöglichen die Übertragung von Daten in einer stärker komprimierten Form, wodurch die Menge des übertragenen Datenverkehrs reduziert wird.

• Leistung: Mit weniger Daten und der Notwendigkeit, Textformate zu analysieren, sparen Binärprotokolle Ressourcen auf der Client- und Serverseite.

• Sicherheit:Binärdaten sind im Vergleich zu Textdaten schwieriger im laufenden Betrieb zu analysieren, wodurch Binärprotokolle weniger anfällig für Angriffe sind.

• Flexibilität:In Binärprotokollen können Datenformate genauer gesteuert werden, um bestimmte Datentypen zu berücksichtigen (z. B. Gleitkommazahlen, Zeichenfolgen, Byte-Arrays usw.).

Systemarchitektur:

Wir entwickeln ein System bestehend aus folgenden Komponenten:

• Ein Server aufNode.js, derWebSocketsverwendet, um mit Clients zu kommunizieren.

• EinJavaScript-Client, der eine Verbindung zum Server herstellt und ein Binärprotokoll zum Übertragen von Daten verwendet.

• Autorisierung mit JWT(JSON Web Token), um Clients sicher mit dem Server zu verbinden.

Serverimplementierung auf Node.js

Abhängigkeitsinstallation

Zuerst installieren wir die notwendigen Abhängigkeiten:

npm init -y npm install ws jsonwebtoken

wsist eine Bibliothek für die Arbeit mitWebSocketauf der Serverseite, undjsonwebtokenist für die Arbeit mit JWT.

Einfacher Servercode:

const WebSocket = require('ws'); const jwt = require('jsonwebtoken'); // Our JWT Secret Key const SECRET_KEY = 'your_secret_key'; // Create a new WebSocket Server const wss = new WebSocket.Server({ port: 8080 }); // JWT Verification Function function verifyJWT(token) { try { return jwt.verify(token, SECRET_KEY); } catch (e) { return null; } } // WebSocket Connection wss.on('connection', (ws, req) => { // Get Token from Headers const token = req.url.split('token=')[1]; const user = verifyJWT(token); // User is not Verified if (!user) { ws.close(4001, 'Unauthorized'); return; } console.log(`User ${user.username} connected`); ws.on('message', (message) => { // Here we looking at message type. It must be a binary buffer if (message instanceof Buffer) { // Work with binary message const messageType = message.readUInt8(0); // First Byte - Message Type if (messageType === 1) { // If Message type is 1 const textLength = message.readUInt16BE(1); // Get Message Length const text = message.toString('utf-8', 3, 3 + textLength); console.log(`Received message from ${user.username}: ${text}`); } else if(messageType === 2) { // Work with your message types } } }); ws.on('close', () => { console.log(`User ${user.username} disconnected`); }); }); console.log('WebSocket server started on ws://localhost:8080');

Code-Erklärung:

• JWT-Autorisierung:Der Server überprüft das vom Client bei der Verbindung übergebene JWT-Token. Wenn das Token ungültig ist, schließt der Server die Verbindung mit einem Autorisierungsfehler.

• Binärdatenverarbeitung:In diesem Beispiel wird davon ausgegangen, dass der Client Binärdaten sendet. Der Server analysiert die Nachricht, indem er die Daten Byte für Byte liest. Als Nachrichtentyp kann beispielsweise das erste Byte der Nachricht verwendet werden, gefolgt von der Nachrichtenlänge und den Daten selbst.

• WebSocket-Server:Diews-Bibliothek wird zum Verwalten von Verbindungen und Nachrichten verwendet.

Client-Implementierung

Kundencode

Zur Implementierung des Clients verwenden wir reines JavaScript.

// Create Socket with our JWT Token const socket = new WebSocket('ws://localhost:8080?token=your_jwt_token'); // Open Connection socket.addEventListener('open', () => { console.log('Connected to server'); // Binary Message example const message = "Hello, Binary World!"; const buffer = new ArrayBuffer(3 + message.length); const view = new DataView(buffer); view.setUint8(0, 1); // Message type view.setUint16(1, message.length); // Message length for (let i = 0; i < message.length; i++) { view.setUint8(3 + i, message.charCodeAt(i)); } socket.send(buffer); }); // Get Response from server socket.addEventListener('message', (event) => { if (event.data instanceof Blob) { event.data.arrayBuffer().then(buffer => { const view = new DataView(buffer); const messageType = view.getUint8(0); if (messageType === 1) { // Type 1 - Text Message const textLength = view.getUint16(1); const text = String.fromCharCode(...new Uint8Array(buffer.slice(3, 3 + textLength))); console.log(`Received message: ${text}`); } }); } }); // Close Connection socket.addEventListener('close', () => { console.log('Disconnected from server'); });

Code-Erklärung:

• Serververbindung:Der Client stellt eine Verbindung zumWebSocket-Server her, indem er ein JWT-Token über eine Anforderungszeichenfolge übergibt.

• Senden von Binärdaten:Zum Senden von Binärdaten wird ein ArrayBuffer erstellt, in den der Nachrichtentyp und die Textdaten geschrieben werden.

• Empfangen von Nachrichten:Der Client erwartet Binärdaten vom Server und analysiert sie mithilfe eines DataView, um die Bytes zu lesen.

Erstellung und Validierung von JWT-Token

Ein Beispiel für die Erstellung eines JWT-Tokens auf der Serverseite:

const jwt = require('jsonwebtoken'); // Secret Key const SECRET_KEY = 'your_secret_key'; // Example of JWT Token Generation const token = jwt.sign({ username: 'user1' }, SECRET_KEY, { expiresIn: '1h' }); console.log(token);

Mit diesem Token kann der Client verbunden werden.

Abschluss

Die Verwendung eines Binärprotokolls in Kombination mitWebSocketsund der Autorisierung überJWTermöglicht ein effizientes und sicheres System für die Client-Server-Kommunikation. Binäre Protokolle bieten trotz ihrer Komplexität in der Implementierung erhebliche Vorteile bei der Leistung und Datenreduzierung. Sie sind besonders relevant für hochbelastete und ressourcenintensive Anwendungen, bei denen die Minimierung von Latenz und Netzwerkauslastung wichtig ist.

Dieser Ansatz kann für die Spieleentwicklung, Echtzeitsysteme, Finanzanwendungen und andere Systeme nützlich sein, die hohe Leistung und Zuverlässigkeit erfordern.

Und natürlich danke fürs Lesen.

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