高性能NIO通信框架之Netty入门（二）-----TCP粘包/拆包

一、TCP粘包/拆包解析

       TCP是个“流”协议，所谓流，就是没有界限的一串数据。大家可以想想河里的流水，是连成一片的，其间并没有分界线。TCP底层并不了解上层业务数据的具体含义，它会根据TCP缓冲区的实际情况进行包的划分，所以在业务上认为，一个完整的包可能会被TCP拆分成多个包进行发送，也有可能把多个小的包封装成一个大的数据包发送，这就是所谓的TCP粘包和拆包问题。

 

假设客户端分别发送了两个数据包D1和D2给服务端，由于服务端一次读取到的字节数是不确定的，故可能存在以下4种情况。

（1）服务端分两次读取到了两个独立的数据包，分别是D1和D2，没有粘包和拆包；

（2）服务端一次接收到了两个数据包，D1和D2粘合在一起，被称为TCP粘包；

（3）服务端分两次读取到了两个数据包，第一次读取到了完整的D1包和D2包的部分内容，第二次读取到了D2包的剩余内容，这被称为TCP拆包；

（4）服务端分两次读取到了两个数据包，第一次读取到了D1包的部分内容D1_1，第二次读取到了D1包的剩余内容D1_2和D2包的整包。

如果此时服务端TCP接收滑窗非常小，而数据包D1和D2比较大，很有可能会发生第五种可能，即服务端分多次才能将D1和D2包接收完全，期间发生多次拆包。

二、TCP粘包/拆包发生的原因

 问题产生的原因有三个，分别如下。

（1）应用程序write写入的字节大小大于套接口发送缓冲区大小；

（2）进行MSS大小的TCP分段；

（3）以太网帧的payload大于MTU进行IP分片。

 

三、粘包问题的解决策略

由于底层的TCP无法理解上层的业务数据，所以在底层是无法保证数据包不被拆分和重组的，这个问题只能通过上层的应用协议栈设计来解决，根据业界的主流协议的解决方案，可以归纳如下。

（1）消息定长，例如每个报文的大小为固定长度200字节，如果不够，空位补空格；

（2）在包尾增加回车换行符进行分割，例如FTP协议；

（3）将消息分为消息头和消息体，消息头中包含表示消息总长度（或者消息体长度）的字段，通常设计思路为消息头的第一个字段使用int32来表示消息的总长度；

（4）更复杂的应用层协议。

四、Socket缓冲区与滑动窗口

      每个TCP socket在内核中都有一个发送缓冲区(SO_SNDBUF )和一个接收缓冲区(SO_RCVBUF)，TCP的全双工的工作模式以及TCP的滑动窗口便是依赖于这两个独立的buffer的填充状态。

SO_SNDBUF：

进程发送的数据的时候假设调用了一个send方法，最简单情况（也是一般情况），将数据拷贝进入socket的内核发送缓冲区之中，然后send便会在上层返回。换句话说，send返回之时，数据不一定会发送到对端去（和write写文件有点类似），send仅仅是把应用层buffer的数据拷贝进socket的内核发送buffer中。

SO_RCVBUF：

把接受到的数据缓存入内核，应用进程一直没有调用read进行读取的话，此数据会一直缓存在相应socket的接收缓冲区内。再啰嗦一点，不管进程是否读取socket，对端发来的数据都会经由内核接收并且缓存到socket的内核接收缓冲区之中。read所做的工作，就是把内核缓冲区中的数据拷贝到应用层用户的buffer里面，仅此而已。

滑动窗口：

TCP连接在三次握手的时候，会将自己的窗口大小(window size)发送给对方，其实就是SO_RCVBUF指定的值。之后在发送数据的时，发送方必须要先确认接收方的窗口没有被填充满，如果没有填满，则可以发送。

每次发送数据后，发送方将自己维护的对方的window size减小，表示对方的SO_RCVBUF可用空间变小。

当接收方处理开始处理SO_RCVBUF 中的数据时，会将数据从socket 在内核中的接受缓冲区读出，此时接收方的SO_RCVBUF可用空间变大，即window size变大，接受方会以ack消息的方式将自己最新的window size返回给发送方，此时发送方将自己的维护的接受的方的window size设置为ack消息返回的window size。

此外，发送方可以连续的给接受方发送消息，只要保证对方的SO_RCVBUF空间可以缓存数据即可，即window size>0。当接收方的SO_RCVBUF被填充满时，此时window size=0，发送方不能再继续发送数据，要等待接收方ack消息，以获得最新可用的window size。

MSS/MTU分片

MTU (Maxitum Transmission Unit,最大传输单元)是链路层对一次可以发送的最大数据的限制。MSS（Maxitum Segment Size,最大分段大小)是TCP报文中data部分的最大长度，是传输层对一次可以发送的最大数据的限制

 

 

数据在传输过程中，每经过一层，都会加上一些额外的信息：

• 应用层：只关心发送的数据DATA，将数据写入socket在内核中的缓冲区SO_SNDBUF即返回，操作系统会将SO_SNDBUF中的数据取出来进行发送。
• 传输层：会在DATA前面加上TCP Header(20字节)
• 网络层：会在TCP报文的基础上再添加一个IP Header，也就是将自己的网络地址加入到报文中。IPv4中IP Header长度是20字节，IPV6中IP Header长度是40字节。
• 链路层：加上Datalink Header和CRC。会将SMAC(Source Machine，数据发送方的MAC地址)，DMAC(Destination Machine，数据接受方的MAC地址 )和Type域加入。SMAC+DMAC+Type+CRC总长度为18字节。
• 物理层：进行传输

MTU是以太网传输数据方面的限制，每个以太网帧最大不能超过1518bytes。刨去以太网帧的帧头(DMAC+SMAC+Type域）14Bytes和帧尾(CRC校验)4Bytes，那么剩下承载上层协议的地方也就是Data域最大就只能有1500Bytes这个值 我们就把它称之为MTU。

MSS是在MTU的基础上减去网络层的IP Header和传输层的TCP Header的部分，这就是TCP协议一次可以发送的实际应用数据的最大大小。

MSS = MTU(1500) -IP Header(20 or 40)-TCP Header(20)

 

五、利用LineBasedFrameDecoder解决TCP粘包问题

 

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.LineBasedFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;

/**
 * Netty 时间服务器服务端TimeServer
 */
public class TimeServer {
    public void bind(int port) {
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(bossGroup, workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024).childHandler(new ChildChannelHandler());
            //绑定端口，同步等待成功
            ChannelFuture f = b.bind(port).sync();
            //等待服务端监听端口关闭
            f.channel().closeFuture().sync();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //优雅退出，释放线程池资源
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }

    private class ChildChannelHandler extends ChannelInitializer<SocketChannel> {

        @Override
        protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
            socketChannel.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));
            socketChannel.pipeline().addLast(new StringDecoder());
            socketChannel.pipeline().addLast(new TimeServerHandler());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        int port = 8080;
        new TimeServer().bind(port);
    }

}

 

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelHandlerAdapter;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;

import java.util.Date;


public class TimeServerHandler extends ChannelHandlerAdapter{
    private int counter = 0;

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        String body = (String) msg;
        System.out.println("The time server receive order : "+body+" ; the counter is : "+ (++counter));
        String currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body)?new Date(System.currentTimeMillis()).toString():"BAD ORDER";
        currentTime = currentTime + System.getProperty("line.separator");
        ByteBuf resp = Unpooled.copiedBuffer(currentTime.getBytes());
        ctx.writeAndFlush(resp);
    }

    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.flush();
    }

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

import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.LineBasedFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;

public class TimeClient {
    public void connect(int port,String host) {
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap b = new Bootstrap();
            b.group(group).channel(NioSocketChannel.class).option(ChannelOption.TCP_NODELAY,true).handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                @Override
                protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
                    socketChannel.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));
                    socketChannel.pipeline().addLast(new StringDecoder());
                    socketChannel.pipeline().addLast(new TimeClientHandler());
                }
            });
            //发起异步连接操作
            ChannelFuture f = b.connect(host,port).sync();
            //等待客户端连接操作
            f.channel().closeFuture().sync();
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            //优雅退出，释放NIO线程组
            group.shutdownGracefully();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        int port = 8080;
        new TimeClient().connect(port,"127.0.0.1");
    }
}

 

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelHandlerAdapter;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;

/**
 * Created by ThinkPad on 2019/6/17.
 */
public class TimeClientHandler extends ChannelHandlerAdapter {
    private int counter;
    private byte[] req;

    public TimeClientHandler() {
         req = ("QUERY TIME ORDER" + System.getProperty("line.separator")).getBytes();
        counter = 0;
    }

    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ByteBuf message = null;
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            message = Unpooled.buffer(req.length);
            message.writeBytes(req);
            ctx.writeAndFlush(message);
        }
    }

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        String body = (String) msg;
        System.out.println("Now is : " + body + "; the counter is : " + (++counter));
    }

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

六、LineBasedFrameDecoder原理分析

LineBasedFrameDecoder的工作原理是它依次遍历ByteBuf中的可读字节，判断看是否有“\n”或者“\r\n”，如果有，就以此位置为结束位置，从可读索引到结束位置区间的字节就组成了一行。它是以换行符为结束标志的解码器，支持携带结束符或者不携带结束符两种解码方式，同时支持配置单行的最大长度。如果连续读取到最大长度后仍然没有发现换行符，就会抛出异常，同时忽略掉之前读到的异常码流。

StringDecoder的功能非常简单，就是将接收到的对象转换成字符串，然后继续调用后面的handler。LineBasedFrameDecoder + StringDecoder组合就是按行切换的文本解码器，它被设计用来支持TCP的粘包和拆包。

如果发送的消息不是以换行符结束的该怎么办呢？或者没有回车换行符，靠消息头中的长度字段来分包怎么办？是不是需要自己写半包解码器？答案是否定的，Netty提供了多种支持TCP粘包/拆包的解码器，用来满足用户的不同诉求。