[网络知识]TCP协议中的粘包与拆包

Posted 2022-12-04 ouyangshima

在平时客户端socket开发中，如果客户端连续不断的向服务端发送数据包时，服务端接收的数据会出现两个数据包粘在一起的情况，这就是TCP协议中经常会遇到的粘包以及拆包的问题。

我们都知道TCP属于传输层的协议，传输层除了有TCP协议外还有UDP协议。那么UDP是否会发生粘包或拆包的现象呢？答案是不会。UDP是基于报文发送的，从UDP的帧结构可以看出，在UDP首部采用了16bit来指示UDP数据报文的长度，因此在应用层能很好的将不同的数据报文区分开，从而避免粘包和拆包的问题。而TCP是基于字节流的，虽然应用层和TCP传输层之间的数据交互是大小不等的数据块，但是TCP把这些数据块仅仅看成一连串无结构的字节流，没有边界；另外从TCP的帧结构也可以看出，在TCP的首部没有表示数据长度的字段，基于上面两点，在使用TCP传输数据时，才有粘包或者拆包现象发生的可能。
TCP为提高性能，发送端会将需要发送的数据发送到缓冲区，等待缓冲区满了之后，再将缓冲中的数据发送到接收方。同理，接收方也有缓冲区这样的机制，来接收数据。

粘包/拆包表现形式

现在假设客户端向服务端连续发送了两个数据包，用packet1和packet2来表示，那么服务端收到的数据可以分为三种，现列举如下：

第一种情况，接收端正常收到两个数据包，即没有发生拆包和粘包的现象，此种情况不在本文的讨论范围内。

第二种情况，接收端只收到一个数据包，由于TCP是不会出现丢包的，所以这一个数据包中包含了发送端发送的两个数据包的信息，这种现象即为粘包。这种情况由于接收端不知道这两个数据包的界限，所以对于接收端来说很难处理。

第三种情况，这种情况有两种表现形式，如下图。接收端收到了两个数据包，但是这两个数据包要么是不完整的，要么就是多出来一块，这种情况即发生了拆包和粘包。这两种情况如果不加特殊处理，对于接收端同样是不好处理的。

粘包/拆包发生原因

发生TCP粘包或拆包有很多原因，现列出常见的几点，可能不全面，欢迎补充

1. 要发送的数据大于TCP发送缓冲区剩余空间大小，将会发生拆包。
2. 待发送数据大于MSS（最大报文长度），TCP在传输前将进行拆包。
3. 要发送的数据小于TCP发送缓冲区的大小，TCP将多次写入缓冲区的数据一次发送出去，将会发生粘包。
4. 接收数据端的应用层没有及时读取接收缓冲区中的数据，将发生粘包。

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，会当做一个包发出去，产生粘包）

########################
#服务端
from socket import *
phone = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
phone.setsockopt(SOL_SOCKET,SOCK_STREAM,1)
phone.bind(('127.0.0.1',8080))
phone.listen(5)
print('start running...')

coon,addr = phone.accept() #等待连接

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

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


###############################
#客户端
from socket import *
import time
phone = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
phone.connect(('127.0.0.1',8080))

phone.send('hello'.encode('utf-8'))
phone.send('helloworld'.encode('utf-8'))
phone.close()

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） 

########################
#服务端
from socket import *
phone = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
phone.setsockopt(SOL_SOCKET,SOCK_STREAM,1)
phone.bind(('127.0.0.1',8080))
phone.listen(5)
print('start running...')

coon,addr = phone.accept() #等待连接

data1 = coon.recv(2) #一次没有接收完整
data2 = coon.recv(10)  #下一次接收的时候会先取旧的数据,然后取新的
# data3 = coon.recv(1024)  #接收等5秒后的信息
print('------------>',data1.decode('utf-8'))
print('------------>',data2.decode('utf-8'))
# print('------------>',data3.decode('utf-8'))
coon.close()
phone.close()


###############################
#客户端
from socket import *
import time
phone = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
phone.connect(('127.0.0.1',8080))

phone.send('hello'.encode('utf-8'))
time.sleep(5)
phone.send('haiyan'.encode('utf-8'))
phone.close()

粘包/拆包解决办法

通过以上分析，我们清楚了粘包或拆包发生的原因，那么如何解决这个问题呢？解决问题的关键在于如何给每个数据包添加边界信息，常用的方法有如下几个：

1. 发送端给每个数据包添加包首部，首部中应该至少包含数据包的长度，这样接收端在接收到数据后，通过读取包首部的长度字段，便知道每一个数据包的实际长度了。
2. 发送端将每个数据包封装为固定长度（不够的可以通过补0填充），这样接收端每次从接收缓冲区中读取固定长度的数据就自然而然的把每个数据包拆分开来。
3. 可以在数据包之间设置边界，如添加特殊符号，这样，接收端通过这个边界就可以将不同的数据包拆分开。

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

########################
#服务端
import socket
import subprocess
import struct
phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
phone.bind(('127.0.0.1',8080)) #绑定手机卡
phone.listen(5) #阻塞的最大数
print('start runing.....')
while True: #链接循环
    coon,addr = phone.accept()# 等待接电话
    print(coon,addr)
    while True: #通信循环
        # 收发消息
        cmd = coon.recv(1024) #接收的最大数
        print('接收的是：%s'%cmd.decode('utf-8'))
        #处理过程
        res = subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell = True,
                                          stdout=subprocess.PIPE, #标准输出
                                          stderr=subprocess.PIPE #标准错误
                                )
        stdout = res.stdout.read()
        stderr = res.stderr.read()
        #先发报头(转成固定长度的bytes类型，那么怎么转呢？就用到了struct模块)
        #len(stdout) + len(stderr)#统计数据的长度
        header = struct.pack('i',len(stdout)+len(stderr))#制作报头
        coon.send(header)
        #再发命令的结果
        coon.send(stdout)
        coon.send(stderr)
    coon.close()
phone.close()



###############################
#客户端

import socket
import struct
phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.connect(('127.0.0.1',8080)) #连接服
while True:
    # 发收消息
    cmd = input('请你输入命令>>：').strip()
    if not cmd:continue
    phone.send(cmd.encode('utf-8')) #发送
    #先收报头
    header_struct = phone.recv(4) #收四个
    unpack_res = struct.unpack('i',header_struct)
    total_size = unpack_res[0]  #总长度
    #后收数据
    recv_size = 0
    total_data=b''
    while recv_size<total_size: #循环的收
        recv_data = phone.recv(1024) #1024只是一个最大的限制
        recv_size+=len(recv_data) #
        total_data+=recv_data #
    print('返回的消息：%s'%total_data.decode('gbk'))
phone.close()

解决粘包问题升级版

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#服务端
import socket
import subprocess
import struct
import json
phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone.bind(('127.0.0.1',8080)) #绑定手机卡
phone.listen(5) #阻塞的最大数
print('start runing.....')
while True: #链接循环
    coon,addr = phone.accept()# 等待接电话
    print(coon,addr)
    while True: #通信循环
        # 收发消息
        cmd = coon.recv(1024) #接收的最大数
        print('接收的是：%s'%cmd.decode('utf-8'))
        #处理过程
        res = subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell = True,
                                          stdout=subprocess.PIPE, #标准输出
                                          stderr=subprocess.PIPE #标准错误
                                )
        stdout = res.stdout.read()
        stderr = res.stderr.read()
        # 制作报头
        header_dic = 
            'total_size': len(stdout)+len(stderr),  # 总共的大小
            'filename': None,
            'md5': None
        
        header_json = json.dumps(header_dic) #字符串类型
        header_bytes = header_json.encode('utf-8')  #转成bytes类型(但是长度是可变的)
        #先发报头的长度
        coon.send(struct.pack('i',len(header_bytes))) #发送固定长度的报头
        #再发报头
        coon.send(header_bytes)
        #最后发命令的结果
        coon.send(stdout)
        coon.send(stderr)
    coon.close()
phone.close()



###############################
#客户端
import socket
import struct
import json
phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.connect(('127.0.0.1',8080)) #连接服务器
while True:
    # 发收消息
    cmd = input('请你输入命令>>：').strip()
    if not cmd:continue
    phone.send(cmd.encode('utf-8')) #发送
    #先收报头的长度
    header_len = struct.unpack('i',phone.recv(4))[0]  #吧bytes类型的反解
    #在收报头
    header_bytes = phone.recv(header_len) #收过来的也是bytes类型
    header_json = header_bytes.decode('utf-8')   #拿到json格式的字典
    header_dic = json.loads(header_json)  #反序列化拿到字典了
    total_size = header_dic['total_size']  #就拿到数据的总长度了
    #最后收数据
    recv_size = 0
    total_data=b''
    while recv_size<total_size: #循环的收
        recv_data = phone.recv(1024) #1024只是一个最大的限制
        recv_size+=len(recv_data) #有可能接收的不是1024个字节，或许比1024多呢，
        # 那么接收的时候就接收不全，所以还要加上接收的那个长度
        total_data+=recv_data #最终的结果
    print('返回的消息：%s'%total_data.decode('gbk'))
phone.close()

struct模块

#该模块可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes类型
import struct
res = struct.pack('i',12345)
print(res,len(res),type(res))  #长度是4

res2 = struct.pack('i',12345111)
print(res,len(res),type(res2))  #长度也是4

unpack_res =struct.unpack('i',res2)
print(unpack_res)  #(12345111,)
print(unpack_res[0]) #12345111