[网络协议] Netty大战之TCP 粘包和拆包及解决方案

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[网络协议]Netty大战之TCP 粘包和拆包及解决方案

TCP 粘包和拆包基本介绍

粘包和拆包是TCP网络编程中不可避免的，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。

原因:就是因为这个Nagle算法导致的，将多个小数据包，变成一个大的数据包导致的问题

?粘包和拆包图解

如图所示，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。（友情提示，从服务端角度看接收数据包，数据包从右往左读）

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粘包和拆包产生的原因

详细来说，造成粘包和拆包的原因主要有以下三个：

应用程序write写入的字节大小大于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。

?粘包和拆包的解决方法

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。

消息长度固定，累计读取到长度和为定长LEN的报文后，就认为读取到了一个完整的信息
将回车换行符作为消息结束符
将特殊的分隔符作为消息的结束标志，回车换行符就是一种特殊的结束分隔符
通过在消息头中定义长度字段来标识消息的总长度

Netty中的粘包和拆包解决方案

针对上一小节描述的粘包和拆包的解决方案，对于拆包问题比较简单，用户可以自己定义自己的编码器进行处理，Netty并没有提供相应的组件。对于粘包的问题，由于拆包比较复杂，代码比较处理比较繁琐，Netty提供了4种解码器来解决，分别如下：

固定长度的拆包器 FixedLengthFrameDecoder，每个应用层数据包的都拆分成都是固定长度的大小
行拆包器 LineBasedFrameDecoder，每个应用层数据包，都以换行符作为分隔符，进行分割拆分
分隔符拆包器 DelimiterBasedFrameDecoder，每个应用层数据包，都通过自定义的分隔符，进行分割拆分
基于数据包长度的拆包器 LengthFieldBasedFrameDecoder，将应用层数据包的长度，作为接收端应用层数据包的拆分依据。按照应用层数据包的大小，拆包。这个拆包器，有一个要求，就是应用层协议中包含数据包的长度

参考文档：https://www.cnblogs.com/coding-diary/p/11650686.html

编写代码说明粘包，拆包问题

友情提示：下面的代码，通过一次性给客户端发送多条数据，看服务接收的数据情况。从最后的运行结果可以看出，粘包，拆包问题。

服务端

package com.atguigu.netty.tcp;


import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;

public class MyServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception{

        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        try {

            ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
            serverBootstrap.group(bossGroup,workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class).childHandler(new MyServerInitializer()); //自定义一个初始化类


            ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind(7000).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();

        }finally {
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }

    }
}

服务断奶管道初始化

package com.atguigu.netty.tcp;



import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;


public class MyServerInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {

    @Override
    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
        ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();

        pipeline.addLast(new MyServerHandler());
    }
}

?服务端handler

package com.atguigu.netty.tcp;

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

import java.nio.charset.Charset;
import java.util.UUID;

public class MyServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf>{
    private int count;

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

    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf msg) throws Exception {

        byte[] buffer = new byte[msg.readableBytes()];
        msg.readBytes(buffer);

        //将buffer转成字符串
        String message = new String(buffer, Charset.forName("utf-8"));

        System.out.println("服务器接收到数据 " + message);
        System.out.println("服务器接收到消息量=" + (++this.count));

        //服务器回送数据给客户端, 回送一个随机id ,
        ByteBuf responseByteBuf = Unpooled.copiedBuffer(UUID.randomUUID().toString() + " ", Charset.forName("utf-8"));
        ctx.writeAndFlush(responseByteBuf);

    }
}

?客户端

package com.atguigu.netty.tcp;



import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;

public class MyClient {
    public static void main(String[] args)  throws  Exception{

        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();

        try {

            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.group(group).channel(NioSocketChannel.class)
                    .handler(new MyClientInitializer()); //自定义一个初始化类

            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("localhost", 7000).sync();

            channelFuture.channel().closeFuture().sync();

        }finally {
            group.shutdownGracefully();
        }
    }
}

?客户端管道初始化

package com.atguigu.netty.tcp;

import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;


public class MyClientInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
    @Override
    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {

        ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
        pipeline.addLast(new MyClientHandler());
    }
}

客户端handler

package com.atguigu.netty.tcp;

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

import java.nio.charset.Charset;

public class MyClientHandler extends SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf> {

    private int count;
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        //使用客户端发送10条数据 hello,server 编号
        for(int i= 0; i< 10; ++i) {
            ByteBuf buffer = Unpooled.copiedBuffer("hello,server " + i, Charset.forName("utf-8"));
            ctx.writeAndFlush(buffer);
        }
    }

    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf msg) throws Exception {
        byte[] buffer = new byte[msg.readableBytes()];
        msg.readBytes(buffer);

        String message = new String(buffer, Charset.forName("utf-8"));
        System.out.println("客户端接收到消息=" + message);
        System.out.println("客户端接收消息数量=" + (++this.count));

    }

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

代码核心说明：

服务端handler

?客户端handler

?运行结果：

友情提示：从下面运行的两次结果可以看出，输出的结果是不确定的，可能一次性传递时完整的，但是也有肯能是不完整的。这就是网络传输导致的粘包，拆包问题。

第一次运行的结果

?第二次运行的结果

TCP 粘包和拆包解决方案

1) 使用自定义协议 + 编解码器来解决

2) 关键就是要解决服务器端每次读取数据长度的问题, 这个问题解决，就不会出现服务器多读或少读数据的问题，从而避免的TCP 粘包、拆包

案例说明：?

?自定义协议：

package com.atguigu.netty.protocoltcp;


//协议包
public class MessageProtocol {
    private int len; //关键
    private byte[] content;

    public int getLen() {
        return len;
    }

    public void setLen(int len) {
        this.len = len;
    }

    public byte[] getContent() {
        return content;
    }

    public void setContent(byte[] content) {
        this.content = content;
    }
}

?编码器：

package com.atguigu.netty.protocoltcp;

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.handler.codec.MessageToByteEncoder;

public class MyMessageEncoder extends MessageToByteEncoder<MessageProtocol> {
    @Override
    protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, MessageProtocol msg, ByteBuf out) throws Exception {
        System.out.println("MyMessageEncoder encode 方法被调用");
        out.writeInt(msg.getLen());
        out.writeBytes(msg.getContent());
    }
}

?解码器

package com.atguigu.netty.protocoltcp;

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.handler.codec.ReplayingDecoder;

import java.util.List;

public class MyMessageDecoder extends ReplayingDecoder<Void> {
    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {
        System.out.println("MyMessageDecoder decode 被调用");
        //需要将得到二进制字节码-> MessageProtocol 数据包(对象)
        int length = in.readInt();

        byte[] content = new byte[length];
        in.readBytes(content);

        //封装成 MessageProtocol 对象，放入 out， 传递下一个handler业务处理
        MessageProtocol messageProtocol = new MessageProtocol();
        messageProtocol.setLen(length);
        messageProtocol.setContent(content);

        out.add(messageProtocol);

    }
}

服务端代码：

package com.atguigu.netty.protocoltcp;


import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;

public class MyServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception{

        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        try {

            ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
            serverBootstrap.group(bossGroup,workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class).childHandler(new MyServerInitializer()); //自定义一个初始化类


            ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind(7000).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();

        }finally {
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }

    }
}

服务端初始化管道

package com.atguigu.netty.protocoltcp;



import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;


public class MyServerInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {

    @Override
    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
        ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();

        pipeline.addLast(new MyMessageDecoder());//解码器
        pipeline.addLast(new MyMessageEncoder());//编码器
        pipeline.addLast(new MyServerHandler());
    }
}

服务端handler

package com.atguigu.netty.protocoltcp;

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

import java.nio.charset.Charset;
import java.util.UUID;


//处理业务的handler
public class MyServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler<MessageProtocol>{
    private int count;

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

    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, MessageProtocol msg) throws Exception {

        //接收到数据，并处理
        int len = msg.getLen();
        byte[] content = msg.getContent();

        System.out.println();
        System.out.println();
        System.out.println();
        System.out.println("服务器接收到信息如下");
        System.out.println("长度=" + len);
        System.out.println("内容=" + new String(content, Charset.forName("utf-8")));

        System.out.println("服务器接收到消息包数量=" + (++this.count));

        //回复消息

        String responseContent = UUID.randomUUID().toString();
        int responseLen = responseContent.getBytes("utf-8").length;
        byte[]  responseContent2 = responseContent.getBytes("utf-8");
        //构建一个协议包
        MessageProtocol messageProtocol = new MessageProtocol();
        messageProtocol.setLen(responseLen);
        messageProtocol.setContent(responseContent2);

        ctx.writeAndFlush(messageProtocol);


    }
}

客户端：

package com.atguigu.netty.protocoltcp;



import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;

public class MyClient {
    public static void main(String[] args)  throws  Exception{

        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();

        try {

            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.group(group).channel(NioSocketChannel.class)
                    .handler(new MyClientInitializer()); //自定义一个初始化类

            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("localhost", 7000).sync();

            channelFuture.channel().closeFuture().sync();

        }finally {
            group.shutdownGracefully();
        }
    }
}

客户端初始化管道

package com.atguigu.netty.protocoltcp;

import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;


public class MyClientInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
    @Override
    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {

        ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
        pipeline.addLast(new MyMessageEncoder()); //加入编码器
        pipeline.addLast(new MyMessageDecoder()); //加入解码器
        pipeline.addLast(new MyClientHandler());
    }
}

客户端handler

package com.atguigu.netty.protocoltcp;

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

import java.nio.charset.Charset;

public class MyClientHandler extends SimpleChannelInboundHandler<MessageProtocol> {

    private int count;
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        //使用客户端发送10条数据 "今天天气冷，吃火锅" 编号

        for(int i = 0; i< 5; i++) {
            String mes = "今天天气冷，吃火锅";
            byte[] content = mes.getBytes(Charset.forName("utf-8"));
            int length = mes.getBytes(Charset.forName("utf-8")).length;

            //创建协议包对象
            MessageProtocol messageProtocol = new MessageProtocol();
            messageProtocol.setLen(length);
            messageProtocol.setContent(content);
            ctx.writeAndFlush(messageProtocol);

        }

    }

//    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, MessageProtocol msg) throws Exception {

        int len = msg.getLen();
        byte[] content = msg.getContent();

        System.out.println("客户端接收到消息如下");
        System.out.println("长度=" + len);
        System.out.println("内容=" + new String(content, Charset.forName("utf-8")));

        System.out.println("客户端接收消息数量=" + (++this.count));

    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        System.out.println("异常消息=" + cause.getMessage());
        ctx.close();
    }
}