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TCP 粘包/拆包
熟悉 TCP 编程的都知道,无论是服务端还是客户端,当我们读取或者发送消息的时候,都需要考虑 TCP 底层 的 粘包/拆包机制。TCP 粘包/拆包问题,在功能测试时往往不会怎么出现,而一旦并发压力上来,或者发送大报文之后,就很容易出现 粘包 / 拆包问题。如果代码没有考虑,往往就会出现解码错位或者错误,导致程序不能正常工作。本篇博文,我们先简单了解 TCP 粘包/拆包 的基础知识,然后来看看 Netty 是如何解决这个问题的。
TCP 粘包/拆包问题说明
TCP 是个 “流” 协议,所谓流,就是没有界限的一串数据。TCP 底层 并不了解上层(如 HTTP 协议)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。我们可以通过下面的示例图,对 TCP 粘包和拆包问题 进行说明。
假设客户端依次发送了两个数据包 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。
- 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;
- 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;
- 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;
- 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,第二次读取到了 D1 包的剩余内容 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 5 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。
TCP 粘包/拆包发生的原因
问题产生的原因有三个,分别如下。
- 应用程序 write 写入的字节大小 超出了 套接口发送缓冲区大小;
- 进行 MSS 大小的 TCP 分段;
- 以太网帧的 payload 大于 MTU 进行 IP 分片。
粘拆包问题的解决策略
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。
- 固定消息长度,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;
- 在包尾使用 “回车换行符” 等特殊字符,作为消息结束的标志,例如 FTP 协议,这种方式在文本协议中应用比较广泛;
- 将消息分为消息头和消息体,在消息头中定义一个 长度字段 Len 来标识消息的总长度;
- 更复杂的应用层协议。
注意:从 TCP 流式设计上来看,TCP 粘包其实是一个伪命题。应用层协议需要自己划分消息的边界。TCP 粘包问题是因为应用层协议开发者的错误设计导致的,他们忽略了 TCP 协议数据传输的核心机制 — 基于字节流,其本身并不存在数据包的概念。 所有在 TCP 中传输的数据都是以流的形式进行传输,这就需要应用层协议开发者自行设计消息的边界划分规则。所以粘包总的来说还是以下两点:
- TCP 协议是面向字节流的协议,它可能会重新分割组合应用层协议的消息到多个数据段中;
- 应用层协议没有定义消息的边界,导致数据的接收方无法按边界拆分粘连的消息。
介绍完了 TCP 粘包/拆包 的基础,下面我们来看看 Netty 是如何使用一系列 “半包解码器” 来解决 TCP 粘包/拆包问题的。
利用 Netty 的解码器 解决 TCP 粘拆包问题
根据上面的 粘拆包问题解决策略,Netty 提供了相应的解码器实现。有了这些解码器,用户不需要自己对读取的报文进行人工解码,也不需要考虑 TCP 的粘包和拆包。
LineBasedFrameDecoder 和 StringDecoder 的原理分析
为了解决 TCP 粘包 / 拆包 导致的 半包读写问题,Netty 默认提供了多种编解码器用于处理半包,只要能熟练掌握这些类库的使用,TCP 粘拆包问题 从此会变得非常容易,你甚至不需要关心它们,这也是其他 NIO 框架 和 JDK 原生的 NIO API 所无法匹敌的。对于使用者来说,只要将支持半包解码的 Handler 添加到 ChannelPipeline 对象 中即可,不需要写额外的代码,使用起来非常简单。
// 示例代码,其中 socketChannel 是一个 SocketChannel对象
socketChannel.pipeline().addLast( new LineBasedFrameDecoder(1024) );
socketChannel.pipeline().addLast( new StringDecoder() );
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。
其它解码器
除了 LineBasedFrameDecoder 以外,还有两个常用的解码器 DelimiterBasedFrameDecoder 和 FixedLengthFrameDecoder,前者能自动对 “以分隔符做结束标志的消息” 进行解码,后者可以自动完成对定长消息的解码。使用方法也和前面的示例代码相同,结合 字符串解码器 StringDecoder,轻松完成对很多消息的自动解码。