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[网络协议]Netty之私有协议栈开发(四)

2021SC@SDUSC


通信协议从广义上区分,可以分为公有协议和私有协议。由于私有协议的灵活性,它往往会在某个公司或者组织内部使用,按需定制,也因为如此,升级起来会非常方便,灵活性好。绝大多数的私有协议传输层都基于TCP/IP,所以利用Netty的NIO TCP协议栈可以非常方便地进行私有协议的定制和开发。

在经过前面三种通信协议的分析的过程中,我渐渐发现其实以前分析的一系列demo的代码,实现其实是基本类似的,本质就是完成服务端和客户端的通信,只是对其中的一些请求等进行不同的处理。

我们下面的博客,就主要开始研究Netty私有协议栈的开发。这一部分主要从三个方面展开研究:

  1. Netty协议栈功能设计
  2. Netty协议栈开发
  3. 运行协议栈

目录

一. Netty协议栈功能设计

1.1 Netty协议网络拓扑图

1.2 Netty自定义功能协议栈

1.3 Netty通信交互图??

二 . Netty协议栈开发

2.1 数据结构的定义

2.2? 消息编解码器

2.3 可靠性设计

小结


一. Netty协议栈功能设计

Netty协议栈用于内部各模块之间的通信,它基于TCP/IP协议栈,是一个类HTTP协议的应用层协议栈,相比于传统的标准协议栈,它更加轻巧、灵活和实用。

1.1 Netty协议网络拓扑图

在分布式环境下,每个netty节点之间建立长连接,使用netty协议进行通信。Netty节点并没用服务端和客户端之分,谁先发起请求,谁就是客户端,另一方就是服务端。

?

1.2 Netty自定义功能协议栈

Netty协议栈承载了业务内部各模块之间的消息交互和服务调用,它的主要功能如下:

  • 基于Netty的NIO通信框架,提供高性能的异步通信能力
  • 提供消息的编解码能力,可以实现消息实体的序列化和反序列化
  • 提供基于IP的白名单接入认证能力
  • 链路的有效性校验机制
  • 链路的断连重连机制

1.3 Netty通信交互图
?

  1. ?Netty 协议栈客户端发送握手请求消息,携带节点ID等有效身份认证信息;
  2. ?Netty协议栈服务端对握手请求消息进行合法性校验,包括节点ID有效性校验、节点重复登录校验和IP地址合法性校验,校验通过后,返回登录成功的握手应答消息;
  3. 链路建立成功之后,客户端发送业务消息;
  4. 链路成功之后,服务端发送心跳消息;
  5. 链路建立成功之后,客户端发送心跳消息;
  6. 链路建立成功之后,服务端发送业务消息;
  7. 服务端退出时,服务端关闭连接,客户端感知对方关闭连接后,被动关闭客户端连接。

二 . Netty协议栈开发

2.1 数据结构的定义

Netty的协议栈使用的消息的数据结构包括如下两部分:

  • 消息头

  • 消息主体

?

代码:

Header:


public class Header {

    private int crcCode = 0xadaf0105; // 唯一的通信标志

    private int length; // 总消息的长度 header + body

    private long sessionID; // 会话ID


    private byte type; // 消息的类型

    private byte priority; // 消息的优先级 0~255

    private Map<String, Object> attachment = new HashMap<String, Object>(); // 附件
    // ...
}

NettyMessage:

public class NettyMessage {

    private Header header;

    private Object body;

    public final Header getHeader() {
        return header;
    }

    public final void setHeader(Header header) {
        this.header = header;
    }

    public final Object getBody() {
        return body;
    }

    public final void setBody(Object body) {
        this.body = body;
    }

    /*
     * (non-Javadoc)
     *
     * @see java.lang.Object#toString()
     */
    public String toString() {
        return "NettyMessage [header=" + header + "]";
    }


}

2.2? 消息编解码器

编解码主要选择Marshaller作为Java对象序列化和反序列化的工具

编码器处理流程图:

解码器处理流程图:

因为我们组有同学专门分析编解码器,因此我在这里分析主要的编解码器的处理流程。这里涉及两个核心的类:NettyMessageEncoder 和 NettyMessageDecoder。

NettyMessageEncoder:

首先判断Message是否为空:

 @Override
    protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, NettyMessage message, ByteBuf sendBuf) throws Exception {
        if(message == null || message.getHeader() == null){
            throw new Exception("编码失败,没有数据信息!");
        }

然后从Message中提取出头信息:

 //Head:
        Header header = message.getHeader();
        sendBuf.writeInt(header.getCrcCode());//校验码
        sendBuf.writeInt(header.getLength());//总长度
        sendBuf.writeLong(header.getSessionID());//会话id
        sendBuf.writeByte(header.getType());//消息类型
        sendBuf.writeByte(header.getPriority());//优先级

对于附件信息要单独编码:

marshallingEncoder.encode(value, sendBuf)是进行核心编码的方法。

/对附件信息进行编码
        //编码规则为:如果attachment的长度为0,表示没有可选附件,则将长度	编码设置为0
        //如果attachment长度大于0,则需要编码,规则:
        //首先对附件的个数进行编码
        sendBuf.writeInt((header.getAttachment().size())); //附件大小
        String key = null;
        byte[] keyArray = null;
        Object value = null;
        //然后对key进行编码,先编码长度,然后再将它转化为byte数组之后编码内容
        for (Map.Entry<String, Object> param : header.getAttachment()
                .entrySet()) {
            key = param.getKey();
            keyArray = key.getBytes("UTF-8");
            sendBuf.writeInt(keyArray.length);//key的字符编码长度
            sendBuf.writeBytes(keyArray);
            value = param.getValue();
            marshallingEncoder.encode(value, sendBuf);
        }

然后从Message中提取出Body,进行编码:

 //Body:
        Object body = message.getBody();
        //如果不为空 说明: 有数据
        if(body != null){
            //使用MarshallingEncoder
            this.marshallingEncoder.encode(body, sendBuf);
        } else {
            //如果没有数据 则进行补位 为了方便后续的 decoder操作
            sendBuf.writeInt(0);
        }

最后我们要获取整个数据包的总长度 也就是 header +? body 进行对 header length的设置:

这里有一个减8 的操作,最开始我也比较迷惑,后来去查文档,得到了解释:因为要把CRC和长度本身占的减掉(这部分就和我们计网学习的知识关系密切)


        //总长度是在header协议的第二个标记字段中
        //第一个参数是长度属性的索引位置
        sendBuf.setInt(4, sendBuf.readableBytes() - 8);
        
    

NettyMessageDecoder:

public class NettyMessageDecoder extends LengthFieldBasedFrameDecoder 

首先调用父类(LengthFieldBasedFrameDecoder)方法,获得frame:

 ByteBuf frame  = (ByteBuf)super.decode(ctx, in);

然后判断frame不为空后,创建Header,通过读取frame,获得头的信息:

if(frame == null){
            return null;
        }

        NettyMessage message = new NettyMessage();
        Header header = new Header();
        header.setCrcCode(frame.readInt());		//crcCode ----> 添加通信标记认证逻辑
        header.setLength(frame.readInt());		//length
        header.setSessionID(frame.readLong());	//sessionID
        header.setType(frame.readByte());		//type
        header.setPriority(frame.readByte());	//priority


附件信息进行解码:

其中?attch.put(key, marshallingDecoder.decode(frame))是解码的核心操作。

      int size = frame.readInt();
        //附件个数大于0,则需要解码操作
        if (size > 0) {
            Map<String, Object> attch = new HashMap<String, Object>(size);
            int keySize = 0;
            byte[] keyArray = null;
            String key = null;
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                keySize = frame.readInt();
                keyArray = new byte[keySize];
                frame.readBytes(keyArray);
                key = new String(keyArray, "UTF-8");
                attch.put(key, marshallingDecoder.decode(frame));
            }
            keyArray = null;
            key = null;
            //解码完成放入attachment
            header.setAttachment(attch);
        }

        message.setHeader(header);

这里就获得完了完整的头信息,进行setHeader操作。
对于ByteBuf来说,读一个数据,就会少一个数据,所以读完header,剩下的就是body了:

marshallingDecoder.decode(frame)仍然是解码的核心操作。

  if(frame.readableBytes() > 4) { //大于4个字节,肯定就有数据了(4个字节是内容长度的占位)
            message.setBody(marshallingDecoder.decode(frame));
        }
        return message;

}

最后setBody之后,将Header和Body组合起来就生成了新的完整的NettyMessage。

到这里我们已经分析完了NettyMessage的编解码流程。对这个过程有了一个整体的认知。

2.3 可靠性设计

Netty协议栈可能会运行在非常恶劣的网络环境中,网络超时、闪断、对方进程僵死或者处理缓慢等情况都有可能发生。为了保证在这些极端异常场景下 Netty 协议栈仍能够正常工作或者自动恢复,需要对它的可靠性进行统一规划和设计。这里主要涉及一下几方面:

  1. 握手和安全认证
  2. 心跳机制
  3. 重连机制
  4. 消息缓存重发机制

这一部分的内容主要在下次博客进行分析。

小结

这部分主要对Netty协议栈的框架进行了分析。设计消息体的结构以及编接码器。和使用Netty协议栈的基本的交互流程,以及协议栈应该实现的功能。

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加:2021-12-26 22:36:04  更:2021-12-26 22:38:00 
 
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