TCP沾包问题

Posted 2022-12-12 狱典司

TCP流式协议：所谓流式协议，即协议的内容是像流水一样的字节流，内容与内容之间没有明确的分界标志，需要我们人为地去给这些协议划分边界。

我们说 TCP 是流式协议究竟意味着什么？ - 云+社区 - 腾讯云 (tencent.com)

网络通信程序实际开发中，或者技术面试时，面试官通常会问的比较多的一个问题是：网络通信时，如何解决粘包？

有的面试官可能会这么问：网络通信时，如何解决粘包、丢包或者包乱序问题？这个问题其实是面试官在考察面试者的网络基础知识；

• 如果是 TCP 协议，在大多数场景下，是不存在丢包和包乱序问题的，TCP 通信是可靠通信方式，TCP 协议栈通过序列号和包重传确认机制保证数据包的有序和一定被正确发到目的地；
• 如果是 UDP 协议，如果不能接受少量丢包，那就要自己在 UDP 的基础上实现类似 TCP 这种有序和可靠传输机制了（例如 RTP 协议、RUDP 协议）。

所以，问题拆解后，只剩下如何解决粘包的问题。

先来解释一下什么是粘包？

所谓粘包就是连续给对端发送两个或者两个以上的数据包，对端在一次收取中收到的数据包数量可能大于 1 个，当大于 1 个时，可能是几个（包括一个）包加上某个包的部分，或者干脆就是几个完整的包在一起。当然，也可能收到的数据只是一个包的部分，这种情况一般也叫半包。

粘包示意图如下：

无论是半包还是粘包问题，其根源是上文介绍中 TCP 协议是流式数据格式。解决问题的思路还是想办法从收到的数据中把包与包的边界给区分出来。那么如何区分呢？一般有三种分包方法：

1. 固定包长的数据包

顾名思义，即每个协议包的长度都是固定的。举个例子，例如我们可以规定每个协议包的大小是 64 个字节，每次收满 64 个字节，就取出来解析（如果不够，就先存起来）。

这种通信协议的格式简单但灵活性差。如果包内容不足指定的字节数，剩余的空间需要填充特殊的信息，如 \\0（如果不填充特殊内容，如何区分包里面的正常内容与填充信息呢？）；如果包内容超过指定字节数，又得分包分片，需要增加额外处理逻辑——在发送端进行分包分片，在接收端重新组装包片（分包和分片内容在接下来会详细介绍）。

2. 以指定字符（串）为包的结束标志

这种协议包比较常见，即字节流中遇到特殊的符号值时就认为到一个包的末尾了。例如，我们熟悉的 FTP协议，发邮件的 SMTP 协议，一个命令或者一段数据后面加上"\\r\\n"（即所谓的 CRLF）表示一个包的结束。对端收到后，每遇到一个”\\r\\n“就把之前的数据当做一个数据包。

这种协议一般用于一些包含各种命令控制的应用中，其不足之处就是如果协议数据包内容部分需要使用包结束标志字符，就需要对这些字符做转码或者转义操作，以免被接收方错误地当成包结束标志而误解析。

3. 包头 + 包体格式

这种格式的包一般分为两部分，即包头和包体，包头是固定大小的，且包头中必须含有一个字段来说明接下来的包体有多大。

例如：

struct msg_header

    int32_t bodySize;
    int32_t cmd;
;

这就是一个典型的包头格式，bodySize 指定了这个包的包体是多大。由于包头大小是固定的（这里是 size(int32_t) + sizeof(int32_t) = 8 字节），对端先收取包头大小字节数目（当然，如果不够还是先缓存起来，直到收够为止），然后解析包头，根据包头中指定的包体大小来收取包体，等包体收够了，就组装成一个完整的包来处理。在有些实现中，包头中的 bodySize可能被另外一个叫 packageSize 的字段代替，这个字段的含义是整个包的大小，这个时候，我们只要用 packageSize 减去包头大小（这里是 sizeof(msg_header)）就能算出包体的大小，原理同上。

在使用大多数网络库时，通常你需要根据协议格式自己给数据包分界和解析，一般的网络库不提供这种功能是出于需要支持不同的协议，由于协议的不确定性，因此没法预先提供具体解包代码。当然，这不是绝对的，也有一些网络库提供了这种功能。在 Java Netty 网络框架中，提供了FixedLengthFrameDecoder 类去处理长度是定长的协议包，提供了 DelimiterBasedFrameDecoder 类去处理按特殊字符作为结束符的协议包，提供 ByteToMessageDecoder 去处理自定义格式的协议包（可用来处理包头 + 包体 这种格式的数据包），然而在继承 ByteToMessageDecoder 子类中你需要根据你的协议具体格式重写 decode() 方法来对数据包解包。