面试题：网络编程之WebSocket帧格式深度剖析与安全优化

Question

详细说明WebSocket协议中扩展帧（Extension Frames）的作用、格式以及如何在后端开发中实现对其的支持。从安全角度出发，分析WebSocket数据传输过程中可能存在的安全风险，并提出相应的防范措施，结合帧格式特点进行阐述。

Answer 1

WebSocket扩展帧的作用

1. 压缩数据：通过扩展帧，可以在客户端和服务器之间对传输的数据进行压缩，减少数据传输量，提高传输效率。例如，使用DEFLATE扩展可以对文本数据进行有效压缩，适用于网络带宽有限或传输大量文本的场景。
2. 增强功能：允许开发者自定义协议扩展，以实现WebSocket协议标准之外的特定功能。比如，自定义加密算法扩展，满足特定的安全需求。

WebSocket扩展帧的格式

1. 基本结构：扩展帧在WebSocket帧的基础上增加特定字段。WebSocket帧由起始字节（FIN、RSV1 - RSV3、Opcode）、长度字段、掩码字段（客户端到服务器的帧有）和数据部分组成。扩展帧会利用RSV1 - RSV3字段来标识使用的扩展类型。例如，如果RSV1为1，表示使用了某种扩展，并且在后续数据中会携带扩展相关的参数。
2. 扩展参数：扩展参数紧跟在WebSocket帧的基本结构之后。不同的扩展有不同的参数格式。以DEFLATE扩展为例，可能会包含压缩算法的配置参数等，用于告知接收方如何解压数据。

后端开发中实现对扩展帧的支持

1. 选择框架：许多流行的后端Web框架都对WebSocket有一定支持，且部分支持扩展帧。例如，在Node.js中，ws库是常用的WebSocket库，通过安装相应的扩展模块（如ws - deflate用于支持DEFLATE压缩扩展），并在服务器端初始化WebSocket服务器时启用扩展：

const WebSocket = require('ws');
const WebSocketDEFLATE = require('ws - deflate');

const wss = new WebSocketDEFLATE.Server({ port: 8080 });

wss.on('connection', function connection(ws) {
    // 处理连接相关逻辑
});

2. 处理扩展协商：在建立WebSocket连接时，客户端和服务器需要进行扩展协商。服务器要验证客户端请求的扩展是否支持，并在响应中告知客户端使用的扩展。例如，在HTTP握手阶段，客户端可能会在Sec - WebSocket - Extensions头中列出支持的扩展，服务器需要解析该头，并在响应的Sec - WebSocket - Extensions头中确认使用的扩展。
3. 数据处理：在接收和发送数据时，根据扩展类型进行相应的处理。如对于压缩扩展，接收数据时要解压，发送数据时要压缩。

WebSocket数据传输过程中的安全风险及防范措施

1. 中间人攻击
   • 风险：攻击者可以拦截WebSocket连接，篡改数据或冒充客户端/服务器。由于WebSocket基于TCP，在未加密情况下，传输数据易被窃取和篡改。
   • 防范措施：使用TLS/SSL加密。在建立WebSocket连接时，通过HTTPS协议进行握手，所有后续数据都在加密通道中传输。从帧格式角度看，TLS/SSL加密层在TCP之上，WebSocket帧在加密数据内部传输，确保帧数据不被中间人获取和篡改。
2. 跨站WebSocket劫持（CSWSH）
   • 风险：攻击者利用用户已登录的合法会话，在用户不知情的情况下发起WebSocket连接，向服务器发送恶意请求。
   • 防范措施：使用HTTP验证机制，如在WebSocket握手时携带认证令牌（如JWT）。服务器在接收到WebSocket连接请求时，验证令牌的有效性。同时，在帧格式中，可通过自定义头部字段携带认证信息，增加安全性。
3. 恶意帧攻击
   • 风险：攻击者构造恶意的WebSocket帧，如超长帧、错误的Opcode等，可能导致服务器崩溃或信息泄露。
   • 防范措施：严格验证接收到的帧格式。在接收帧时，检查FIN、RSV1 - RSV3、Opcode、长度等字段是否合法。对于超长帧，设置合理的长度限制，防止内存耗尽攻击。例如，在Node.js的ws库中，可以通过设置maxPayload选项来限制接收帧的最大长度。