粘包问题及解决

一、什么是粘包？

注意：只有TCP有粘包现象，UDP永远不会粘包，为何，且听我娓娓道来。

首先需要掌握一个socket收发消息的原理

发送端可以是一K一K地发送数据，而接收端的应用程序可以两K两K地提走数据，当然也有可能一次提走3K或6K数据，或者一次只提走几个字节的数据，也就是说，应用程序所看到的数据是一个整体，或说是一个流（stream），一条消息有多少字节对应用程序是不可见的，因此TCP协议是面向流的协议，这也是容易出现粘包问题的原因。而UDP是面向消息的协议，每个UDP段都是一条消息，应用程序必须以消息为单位提取数据，不能一次提取任意字节的数据，这一点和TCP是很不同的。怎样定义消息呢？可以认为对方一次性write/send的数据为一个消息，需要明白的是当对方send一条信息的时候，无论底层怎样分段分片，TCP协议层会把构成整条消息的数据段排序完成后才呈现在内核缓冲区。

例如基于TCP的套接字客户端往服务端上传文件，发送时文件内容是按照一段一段的字节流发送的，在接收方看了，根本不知道该文件的字节流从何处开始，在何处结束。

所谓粘包问题主要还是因为接收方不知道消息之间的界限，不知道一次性提取多少字节的数据所造成的。

此外，发送方引起的粘包是由TCP协议本身造成的，TCP为提高传输效率，发送方往往要收集到足够多的数据后才发送一个TCP段。若连续几次需要send的数据都很少，通常TCP会根据优化算法把这些数据合成一个TCP段后一次发送出去，这样接收方就收到了粘包数据。

• TCP（transport control protocol，传输控制协议）是面向连接的，面向流的，提供高可靠性服务。收发两端（客户端和服务器端）都要有一一成对的socket，因此，发送端为了将多个发往接收端的包，更有效的发到对方，使用了优化方法（Nagle算法），将多次间隔较小且数据量小的数据，合并成一个大的数据块，然后进行封包。这样，接收端，就难于分辨出来了，必须提供科学的拆包机制。 即面向流的通信是无消息保护边界的。
• UDP（user datagram protocol，用户数据报协议）是无连接的，面向消息的，提供高效率服务。不会使用块的合并优化算法，, 由于UDP支持的是一对多的模式，所以接收端的skbuff(套接字缓冲区）采用了链式结构来记录每一个到达的UDP包，在每个UDP包中就有了消息头（消息来源地址，端口等信息），这样，对于接收端来说，就容易进行区分处理了。 即面向消息的通信是有消息保护边界的。
• TCP是基于数据流的，于是收发的消息不能为空，这就需要在客户端和服务端都添加空消息的处理机制，防止程序卡住，而udp是基于数据报的，即便是你输入的是空内容（直接回车），那也不是空消息，udp协议会帮你封装上消息头，实验略

udp的recvfrom是阻塞的，一个recvfrom(x)必须对唯一一个sendinto(y),收完了x个字节的数据就算完成,若是y>x数据就丢失，这意味着udp根本不会粘包，但是会丢数据，不可靠

TCP的协议数据不会丢，没有收完包，下次接收，会继续上次继续接收，己端总是在收到ack时才会清除缓冲区内容。数据是可靠的，但是会粘包。

二、TCP发送数据的四种情况

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。

特例：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。

三、粘包的两种情况

1.发送端需要等缓冲区满才发送出去，造成粘包（发送数据时间间隔很短，数据了很小，会合到一起，产生粘包）

3.1 服务端

# _*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'nickchen121'
from socket import *
ip_port = ('127.0.0.1', 8080)

TCP_socket_server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
TCP_socket_server.bind(ip_port)
TCP_socket_server.listen(5)

conn, addr = TCP_socket_server.accept()

data1 = conn.recv(10)
data2 = conn.recv(10)

print('----->', data1.decode('utf-8'))
print('----->', data2.decode('utf-8'))

conn.close()

3.2 客户端

# _*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'nickchen121'
import socket
BUFSIZE = 1024
ip_port = ('127.0.0.1', 8080)

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
res = s.connect_ex(ip_port)

s.send('hello'.encode('utf-8'))
s.send('feng'.encode('utf-8'))

2.接收方不及时接收缓冲区的包，造成多个包接收（客户端发送了一段数据，服务端只收了一小部分，服务端下次再收的时候还是从缓冲区拿上次遗留的数据，产生粘包）

3.3 服务端

# _*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'nickchen121'
from socket import *
ip_port = ('127.0.0.1', 8080)

TCP_socket_server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
TCP_socket_server.bind(ip_port)
TCP_socket_server.listen(5)

conn, addr = TCP_socket_server.accept()

data1 = conn.recv(2)  # 一次没有收完整
data2 = conn.recv(10)  # 下次收的时候,会先取旧的数据,然后取新的

print('----->', data1.decode('utf-8'))
print('----->', data2.decode('utf-8'))

conn.close()

3.4 客户端

# _*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'nickchen121'
import socket
BUFSIZE = 1024
ip_port = ('127.0.0.1', 8080)

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
res = s.connect_ex(ip_port)

s.send('hello feng'.encode('utf-8'))

四、补充问题一：为何TCP是可靠传输，udp是不可靠传输

• 基于TCP的数据传输请参考我的另一篇文章https://www.cnblogs.com/nickchen121/p/11027575.html，TCP在数据传输时，发送端先把数据发送到自己的缓存中，然后协议控制将缓存中的数据发往对端，对端返回一个ack=1，发送端则清理缓存中的数据，对端返回ack=0，则重新发送数据，所以TCP是可靠的
• udp发送数据，对端是不会返回确认信息的，因此不可靠

五、补充问题二：send(字节流)和recv(1024)及sendall

• recv里指定的1024意思是从缓存里一次拿出1024个字节的数据
• send的字节流是先放入己端缓存，然后由协议控制将缓存内容发往对端，如果待发送的字节流大小大于缓存剩余空间，那么数据丢失，用sendall就会循环调用send，数据不会丢失

解决粘包问题

问题的根源在于，接收端不知道发送端将要传送的字节流的长度，所以解决粘包的方法就是围绕，如何让发送端在发送数据前，把自己将要发送的字节流总大小让接收端知晓，然后接收端来一个死循环接收完所有数据。

1.1 服务端

import socket, subprocess

server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

server.bind(('127.0.0.1', 8000))
server.listen(5)

while True:
    conn, addr = server.accept()

    print('start...')
    while True:
        cmd = conn.recv(1024)
        print('cmd:', cmd)

        obj = subprocess.Popen(cmd.decode('utf8'),
                               shell=True,
                               stderr=subprocess.PIPE,
                               stdout=subprocess.PIPE)

        stdout = obj.stdout.read()

        if stdout:
            ret = stdout
        else:
            stderr = obj.stderr.read()
            ret = stderr

        ret_len = len(ret)

        conn.send(str(ret_len).encode('utf8'))

        data = conn.recv(1024).decode('utf8')

        if data == 'recv_ready':
            conn.sendall(ret)

    conn.close()

server.close()

1.2 客户端

import socket

client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

client.connect(('127.0.0.1', 8000))

while True:
    msg = input('please enter your cmd you want>>>').strip()

    if len(msg) == 0: continue

    client.send(msg.encode('utf8'))
    length = int(client.recv(1024))

    client.send('recv_ready'.encode('utf8'))

    send_size = 0
    recv_size = 0

    data = b''

    while recv_size < length:
        data = client.recv(1024)
        recv_size += len(data)

    print(data.decode('utf8'))

1.3 为何low

程序的运行速度远快于网络传输速度，所以在发送一段字节前，先用send去发送该字节流长度，这种方式会放大网络延迟带来的性能损耗

二、补充struct模块

2.1 简单使用

import struct
import json

# 'i'是格式
try:
    obj = struct.pack('i', 1222222222223)
except Exception as e:
    print(e)
    obj = struct.pack('i', 1222)
print(obj, len(obj))
'i' format requires -2147483648 <= number <= 2147483647
b'\xc6\x04\x00\x00' 4
res = struct.unpack('i', obj)
print(res[0])
1222

三、解决粘包问题

解决粘包问题的核心就是：为字节流加上自定义固定长度报头，报头中包含字节流长度，然后一次send到对端，对端在接收时，先从缓存中取出定长的报头，然后再取真实数据。

3.1 使用struct模块创建报头

import json
import struct

header_dic = {
    'filename': 'a.txt',
    'total_size':
    111111111111111111111111111111111222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222223131232,
    'hash': 'asdf123123x123213x'
}

header_json = json.dumps(header_dic)

header_bytes = header_json.encode('utf-8')
print(len(header_bytes))

# 'i'是格式
obj = struct.pack('i', len(header_bytes))
print(obj, len(obj))
223
b'\xdf\x00\x00\x00' 4
res = struct.unpack('i', obj)
print(res[0])
223

3.2 服务端

from socket import *
import subprocess
import struct
import json

server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
server.bind(('127.0.0.1', 8000))
server.listen(5)

print('start...')
while True:
    conn, client_addr = server.accept()
    print(conn, client_addr)

    while True:
        cmd = conn.recv(1024)

        obj = subprocess.Popen(cmd.decode('utf8'),
                               shell=True,
                               stderr=subprocess.PIPE,
                               stdout=subprocess.PIPE)

        stderr = obj.stderr.read()
        stdout = obj.stdout.read()

        # 制作报头
        header_dict = {
            'filename': 'a.txt',
            'total_size': len(stdout) + len(stderr),
            'hash': 'xasf123213123'
        }
        header_json = json.dumps(header_dict)
        header_bytes = header_json.encode('utf8')

        # 1. 先把报头的长度len(header_bytes)打包成4个bytes，然后发送
        conn.send(struct.pack('i', len(header_bytes)))
        # 2. 发送报头
        conn.send(header_bytes)
        # 3. 发送真实的数据
        conn.send(stdout)
        conn.send(stderr)

    conn.close()

server.close()

3.3 客户端

from socket import *
import json
import struct

client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
client.connect(('127.0.0.1', 8000))

while True:
    cmd = input('please enter your cmd you want>>>')

    if len(cmd) == 0: continue

    client.send(cmd.encode('utf8'))

    # 1. 先收4个字节，这4个字节中包含报头的长度
    header_len = struct.unpack('i', client.recv(4))[0]

    # 2. 再接收报头
    header_bytes = client.recv(header_len)

    # 3. 从包头中解析出想要的东西
    header_json = header_bytes.decode('utf8')
    header_dict = json.loads(header_json)
    total_size = header_dict['total_size']

    # 4. 再收真实的数据
    recv_size = 0
    res = b''
    while recv_size < total_size:
        data = client.recv(1024)

        res += data
        recv_size += len(data)

    print(res.decode('utf8'))

client.close()

四、TCP协议粘包问题分析

1.nagle算法规定，TCP协议会将数据量较小、时间间隔短的数据合并为一条发送给客户端

4.1 服务端

from socket import *

server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
server.bind(('127.0.0.1', 8080))
server.listen(5)

conn, addr = server.accept()

# 正确做法，客户端制作报头
# res1 = conn.recv(5)
# print('第一次；', res1)

# res2 = conn.recv(5)
# print('第二次；', res2)

# res3 = conn.recv(4)
# print('第三次；', res3)


# low方法+客户端的睡眠
res1 = conn.recv(1024)
print('第一次；', res1)

res2 = conn.recv(1024)
print('第二次；', res2)

res3 = conn.recv(1024)
print('第三次；', res3)

4.2 客户端

from socket import *
import time

client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
client.connect(('127.0.0.1', 8080))

client.send(b'hello')
client.send(b'world')
client.send(b'nick')
# 服务端收到b'helloworldnick'

client.send(b'hello')
time.sleep(0.2)
# 服务端收到b'hello'

client.send(b'world')
time.sleep(0.2)
# 服务端收到b'world'

client.send(b'nick')
# 服务端收到b'nick'

2.接收方不及时接收缓冲区的包，造成多个包接收（客户端发送了一段数据，服务端只收了一小部分，服务端下次再收的时候还是从缓冲区拿上次遗留的数据，产生粘包）

4.3 服务端

# _*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'nickchen121'
from socket import *
ip_port = ('127.0.0.1', 8080)

TCP_socket_server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
TCP_socket_server.bind(ip_port)
TCP_socket_server.listen(5)

conn, addr = TCP_socket_server.accept()

data1 = conn.recv(2)  # 一次没有收完整
data2 = conn.recv(10)  # 下次收的时候,会先取旧的数据,然后取新的

print('----->', data1.decode('utf-8'))
print('----->', data2.decode('utf-8'))

conn.close()

4.4 客户端

# _*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'nickchen121'
import socket
BUFSIZE = 1024
ip_port = ('127.0.0.1', 8080)

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
res = s.connect_ex(ip_port)

s.send('hello feng'.encode('utf-8'))