TCP粘包/拆包问题

Posted 2020-08-23 wade&luffy

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

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。

TCP粘包/拆包问题说明

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。

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。

 

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。

未考虑TCP粘包导致功能异常案例 

在前面的时间服务器例程中，我们多次强调并没有考虑读半包问题，这在功能测试时往往没有问题，但是一旦压力上来，或者发送大报文之后，就会存在粘包/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。以Netty 入门示例为例。

TimeServer的改造

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


public class TimeServerHandler extends ChannelHandlerAdapter {

    private int counter;

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg)
            throws Exception {
        ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
        byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];
        buf.readBytes(req);
        String body = new String(req, "UTF-8").substring(0, req.length - System.getProperty("line.separator").length());
        System.out.println("The time server receive order : " + body + " ; the counter is : " + ++counter);
        String currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body) ?
                new java.util.Date( System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD ORDER";
        currentTime = currentTime + System.getProperty("line.separator");
        ByteBuf resp = Unpooled.copiedBuffer(currentTime.getBytes());
        ctx.writeAndFlush(resp);
    }

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

每读到一条消息后，就计一次数，然后发送应答消息给客户端。按照设计，服务端接收到的消息总数应该跟客户端发送的消息总数相同，而且请求消息删除回车换行符后应该为"QUERY TIME ORDER"。

TimeClient的改造 

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

public class TimeClientHandler extends ChannelHandlerAdapter {

    private int counter;

    private byte[] req;

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

    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) {
        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 {
        ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
        byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];
        buf.readBytes(req);
        String body = new String(req, "UTF-8");
        System.out.println("Now is : " + body + " ; the counter is : " + ++counter);
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
        // 释放资源
        ctx.close();
    }
}

客户端跟服务端链路建立成功之后，循环发送100条消息，每发送一条就刷新一次，保证每条消息都会被写入Channel中。按照我们的设计，服务端应该接收到100条查询时间指令的请求消息。客户端每接收到服务端一条应答消息之后，就打印一次计数器。按照设计初衷，客户端应该打印100次服务端的系统时间。

运行结果：

服务端运行结果如下。

The time server receive order : QUERY TIME ORDER

QUERY TIME ORDER

......................

QUERY TIME ORDER ; the counter is : 1

The time server receive order :

QUERY TIME ORDER

............

QUERY TIME ORDER ; the counter is : 2

服务端运行结果表明它只接收到了两条消息，第一条包含57条“QUERY TIME ORDER”指令，第二条包含了43条“QUERY TIME ORDER”指令，总数正好是100条。我们期待的是收到100条消息，每条包含一条“QUERY TIME ORDER”指令。这说明发生了TCP粘包。

客户端运行结果如下。

Now is : BAD ORDER

BAD ORDER

; the counter is : 1

按照设计初衷，客户端应该收到100条当前系统时间的消息，但实际上只收到了一条。这不难理解，因为服务端只收到了2条请求消息，所以实际服务端只发送了2条应答，由于请求消息不满足查询条件，所以返回了2条“BAD ORDER”应答消息。但是实际上客户端只收到了一条包含2条“BAD ORDER”指令的消息，说明服务端返回的应答消息也发生了粘包。由于上面的例程没有考虑TCP的粘包/拆包，所以当发生TCP粘包时，我们的程序就不能正常工作。

利用LineBasedFrameDecoder解决TCP粘包问题

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。

服务端代码：

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioserverSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.LineBasedFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;

public class TimeServer {

    public void bind(int port) throws Exception {
　　　　 // 配置服务端的NIO线程组
        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();
        } finally {
            // 优雅退出，释放线程池资源
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }

    private class ChildChannelHandler extends ChannelInitializer {
        @Override
        protected void initChannel(Channel arg0) throws Exception {
            arg0.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));
            arg0.pipeline().addLast(new StringDecoder());
            arg0.pipeline().addLast(new TimeServerHandler());
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int port = 8080;
        if (args != null && args.length > 0) {
            try {
                port = Integer.valueOf(args[0]);
            } catch (NumberFormatException e) {
                // 采用默认值
            }
        }
        new TimeServer().bind(port);
    }
}

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


public class TimeServerHandler extends ChannelHandlerAdapter {

    private int counter;

    @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 java.util.Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD ORDER";
        currentTime = currentTime + System.getProperty("line.separator");
        ByteBuf resp = Unpooled.copiedBuffer(currentTime.getBytes());
        ctx.writeAndFlush(resp);
    }

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

客户端代码：

import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
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) throws Exception {
// 配置客户端NIO线程组
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap b = new Bootstrap();
            b.group(group).channel(NioSocketChannel.class)
                    .option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
                    .handler(new ChannelInitializer() {
                        @Override
                        public void initChannel(Channel ch)
                                throws Exception {
                            ch.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));
                            ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());
                            ch.pipeline().addLast(new TimeClientHandler());
                        }
                    });

            // 发起异步连接操作
            ChannelFuture f = b.connect(host, port).sync();

            // 等待客户端链路关闭
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            // 优雅退出，释放NIO线程组
            group.shutdownGracefully();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int port = 8080;
        if (args != null && args.length > 0) {
            try {
                port = Integer.valueOf(args[0]);
            } catch (NumberFormatException e) {
                // 采用默认值
            }
        }
        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;


public class TimeClientHandler extends ChannelHandlerAdapter {

    private int counter;

    private byte[] req;

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

    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) {
        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) {
        // 释放资源
        ctx.close();
    }
}

两个变化：

1. 拿到的msg已经是解码成字符串之后的应答消息
2. 新增了两个解码器：第一个是LineBasedFrameDecoder，第二个是StringDecoder。

运行结果：

服务端执行结果如下。

The time server receive order : QUERY TIME ORDER ; the counter is : 1

.....................................

The time server receive order : QUERY TIME ORDER ; the counter is : 100

客户端运行结果如下。

Now is : Thu Feb 20 00:00:14 CST 2014 ; the counter is : 1

......................................

Now is : Thu Feb 20 00:00:14 CST 2014 ; the counter is : 100

程序的运行结果完全符合预期，说明通过使用LineBasedFrameDecoder和StringDecoder成功解决了TCP粘包导致的读半包问题。对于使用者来说，只要将支持半包解码的handler添加到ChannelPipeline中即可，不需要写额外的代码，用户使用起来非常简单。

LineBasedFrameDecoder和StringDecoder的原理分析

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。