103 解决粘包问题

一、什么是粘包

粘包问题是所有语言中都会有的问题，因为只要使用了TCP协议，即使是通过socket编程也都会产生的问题。

注意：只有TCP有粘包现象，UDP永远不会粘包，为何，且听我娓娓道来。

首先需要掌握一个socket收发消息的原理

发送端可以是一K一K地发送数据，而接收端的应用程序可以两K两K地提走数据，当然也有可能一次提走3K或6K数据，或者一次只提走几个字节的数据，也就是说，应用程序所看到的数据是一个整体，或说是一个流（stream），一条消息有多少字节对应用程序是不可见的，因此TCP协议是面向流的协议，这也是容易出现粘包问题的原因。而UDP是面向消息的协议，每个UDP段都是一条消息，应用程序必须以消息为单位提取数据，不能一次提取任意字节的数据，这一点和TCP是很不同的。怎样定义消息呢？可以认为对方一次性write/send的数据为一个消息，需要明白的是当对方send一条信息的时候，无论底层怎样分段分片，TCP协议层会把构成整条消息的数据段排序完成后才呈现在内核缓冲区。

例如基于TCP的套接字客户端往服务端上传文件，发送时文件内容是按照一段一段的字节流发送的，在接收方看了，根本不知道该文件的字节流从何处开始，在何处结束。

所谓粘包问题主要还是因为接收方不知道消息之间的界限，不知道一次性提取多少字节的数据所造成的。

此外，发送方引起的粘包是由TCP协议本身造成的，TCP为提高传输效率，发送方往往要收集到足够多的数据后才发送一个TCP段。若连续几次需要send的数据都很少，通常TCP会根据优化算法把这些数据合成一个TCP段后一次发送出去，这样接收方就收到了粘包数据。

• TCP（transport control protocol，传输控制协议）是面向连接的，面向流的，提供高可靠性服务。收发两端（客户端和服务器端）都要有一一成对的socket，因此，发送端为了将多个发往接收端的包，更有效的发到对方，使用了优化方法（Nagle算法），将多次间隔较小且数据量小的数据，合并成一个大的数据块，然后进行封包。这样，接收端，就难于分辨出来了，必须提供科学的拆包机制。 即面向流的通信是无消息保护边界的。
• UDP（user datagram protocol，用户数据报协议）是无连接的，面向消息的，提供高效率服务。不会使用块的合并优化算法，, 由于UDP支持的是一对多的模式，所以接收端的skbuff(套接字缓冲区）采用了链式结构来记录每一个到达的UDP包，在每个UDP包中就有了消息头（消息来源地址，端口等信息），这样，对于接收端来说，就容易进行区分处理了。 即面向消息的通信是有消息保护边界的。
• TCP是基于数据流的，于是收发的消息不能为空，这就需要在客户端和服务端都添加空消息的处理机制，防止程序卡住，而udp是基于数据报的，即便是你输入的是空内容（直接回车），那也不是空消息，udp协议会帮你封装上消息头，实验略

udp的recvfrom是阻塞的，一个recvfrom(x)必须对唯一一个sendinto(y),收完了x个字节的数据就算完成,若是y>x数据就丢失，这意味着udp根本不会粘包，但是会丢数据，不可靠

TCP的协议数据不会丢，没有收完包，下次接收，会继续上次继续接收，己端总是在收到ack时才会清除缓冲区内容。数据是可靠的，但是会粘包。

二、tcp发送数据的四种情况

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。

特例：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。

三、struct模块

使用方法：

import struct
#把一个数字打包成固定长度的4字节，得到字节格式数据
obj=struct.pack('i',1024) # 'i'是格式
print(obj)
print(len(obj))

# 解包，得到元祖类型数据
l=struct.unpack('i',obj)[0]
print(l)

四、解决粘包问题

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。

4.1 简单版解决方案

服务器：

import socket
import subprocess
import struct
HOST = "192.168.11.237"
PORT = 8082

soc = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
soc.bind((HOST,PORT))
soc.listen(5)


while 1:
    print("等待连接。。。")
    conn,addr = soc.accept()
    print("连接成功。。。\n")
    while 1:
        try:
            data = conn.recv(1024)
            if len(data)==0:    # 长度0说明断开了连接。在windows中没用，在linux中才有用
                break

            # 把执行正确的内容放到管道中
            obj = subprocess.Popen(str(data, encoding="utf8"), shell=True, stdout=subprocess.PIPE,
                                   stderr=subprocess.PIPE)
            # 执行的结果 b 格式,gbk编码(windows平台)
            suc_data = obj.stdout.read()
            fail_data = obj.stderr.read()
            if suc_data:
                # 1.先打包数据长度，为四个字节，在发过去
                head = struct.pack("i", len(suc_data))
                conn.send(head)  # 作为头信息发过去，字节格式

                # 2.发真正的数据信息
                conn.send(suc_data)

            else:
                # 1.先打包数据长度，为四个字节，在发过去
                head = struct.pack("i", len(fail_data))
                conn.send(head)  # 作为头信息发过去，字节格式

                # 发错误信息
                conn.send(fail_data)

        except:
            print("客户机连接中断。。。")
            break
    conn.close()

soc.close()

客户端：

import socket
import struct
HOST = "192.168.11.237"
PORT = 8082

soc = socket.socket()
soc.connect((HOST,PORT))

while 1:
    try:
        cmd = input("请输入需要执行的命令")
        soc.send(cmd.encode("utf8"))

        # 1.得到数据的头信息并解包
        head = soc.recv(4)
        data_len = struct.unpack("i",head)[0]

        if head == 0:
            break

        # 2.根据头信息，拿到数据长度来接收数据
        str_data = b""
        while data_len:
            if data_len > 1024:
                data = soc.recv(1024)  # 你要接收的数据长度必须等于真实接收到的数据长度才可以停止
                str_data += data
                data_len -= len(data)
            else:
                data = soc.recv(data_len)
                str_data += data
                data_len -= len(data)
                
        print(str_data.decode("gbk"))

    except Exception as a:
        print("服务器关闭了:", a)
        break

# 4.关闭连接
soc.close()

4.1 终极版解决方案（xc版本）

简单版解决方案确实能解决粘包问题，但是如果当要传输的数据太大则就会发生问题。下面给出我的解决方案

服务器：

import socket
import subprocess
import struct
import json

HOST = "192.168.11.24"
PORT = 8080

soc = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
soc.bind((HOST,PORT))
soc.listen(5)

while 1:
    print("等待连接。。。")
    conn,addr = soc.accept()
    print(f"主机{addr}连接成功,准备接收消息中。。。")
    while 1:
        try:
            # 接收命令
            cmd = conn.recv(1024)
            # 处理命令
            obj = subprocess.Popen(cmd.decode("utf8"), shell=True, stdout=subprocess.PIPE,stderr=subprocess.PIPE)
            suc_data =  obj.stdout.read()
            fail_data = obj.stderr.read()
            if suc_data:
                # 1.先构造一个字典，把头信息放到字典中
                head_dic = {"data_size": len(suc_data), "md5":None, "file_name": None}
                # 2.对该字典序列化，得到字符串(json串)
                head_dic_json_byte = (json.dumps(head_dic)).encode("utf8")
                # 3.将 序列化后的字典 长度打包,作为头部
                head = struct.pack("i",len(head_dic_json_byte))

                # 4.先发头部
                conn.send(head)
                # 5.再发 序列化后的字典(字节类型)
                conn.send(head_dic_json_byte)
                # 6.最后再发真正的数据
                conn.send(suc_data)
            else:
                # 1.先构造一个字典，把头信息放到字典中
                head_dic = {"data_size": len(fail_data), "md5": None, "file_name": None}
                # 2.对该字典序列化，得到字符串(json串)
                head_dic_json_byte = (json.dumps(head_dic)).encode("utf8")
                # 3.将 序列化后的字典 长度打包,作为头部(字节类型)
                head = struct.pack("i", len(head_dic_json_byte))

                # 4.先发头部
                conn.send(head)
                # 5.再发 序列化后的字典(字节类型)
                conn.send(head_dic_json_byte)
                # 6.最后再发真正的数据
                conn.send(fail_data)

        except:
            print("客户机连接中断。。。\n")
            break
    conn.close()

soc.close()

客户端

import socket
import struct
import json

HOST = "192.168.11.24"
PORT = 8080

soc = socket.socket()
soc.connect((HOST,PORT))

while 1:
    try:
        cmd = input("请输入需要执行的命令")
        soc.send(cmd.encode("utf8"))

        # 1.先拿到头数据，并解包
        head = soc.recv(4)
        head_dic_len = struct.unpack("i",head)[0]

        if len(head) == 0:  # 服务器关闭了
            break

        # 2.根据头字典长度拿到头字典信息,进行反序列化，拿到头字典
        head_dic_btye = soc.recv(head_dic_len)
        head_dic = json.loads(head_dic_btye)   # json可以直接反序列化bytes类型

        # 3.根据头字典中的数据长度拿到真正的数据
        data_len= head_dic.get("data_size")
        str_data = b""
        while data_len:
            if data_len > 1024:
                data = soc.recv(1024)  # 你要接收的数据长度必须等于真实接收到的数据长度才可以停止
                str_data += data
                data_len -= len(data)
            else:
                data = soc.recv(data_len)
                str_data += data
                data_len -= len(data)

        print(str_data.decode("gbk"))

    except Exception as a:
        print("服务器关闭了:", a)
        break

# 4.关闭连接
soc.close()