TCP粘包问题

粘包问题：

一、TCP协议简介   
TCP是一个面向连接的传输层协议，虽然TCP不属于ISO制定的协议集，但由于其在商业界和工业界的成功应用，它已成为事实上的网络标准，广泛应用于各种网络主机间的通信。   
作为一个面向连接的传输层协议，TCP的目标是为用户提供可靠的端到端连接，保证信息有序无误的传输。它除了提供基本的数据传输功能外，还为保证可靠性采用了数据编号、校验和计算、数据确认等一系列措施。它对传送的每个数据字节都进行编号，并请求接收方回传确认信息（ACK）。发送方如果在规定的时间内没有收到数据确认，就重传该数据。数据编号使接收方能够处理数据的失序和重复问题。数据误码问题通过在每个传输的数据段中增加校验和予以解决，接收方在接收到数据后检查校验和，若校验和有误，则丢弃该有误码的数据段，并要求发送方重传。流量控制也是保证可靠性的一个重要措施，若无流控，可能会因接收缓冲区溢出而丢失大量数据，导致许多重传，造成网络拥塞恶性循环。TCP采用可变窗口进行流量控制，由接收方控制发送方发送的数据量。   
TCP为用户提供了高可靠性的网络传输服务，但可靠性保障措施也影响了传输效率。因此，在实际工程应用中，只有关键数据的传输才采用TCP，而普通数据的传输一般采用高效率的UDP。   
 
二、粘包问题分析与对策   
TCP粘包是指发送方发送的若干包数据到接收方接收时粘成一包，从接收缓冲区看，后一包数据的头紧接着前一包数据的尾。   
出现粘包现象的原因是多方面的，它既可能由发送方造成，也可能由接收方造成。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包数据。若连续几次发送的数据都很少，通常TCP会根据优化算法把这些数据合成一包后一次发送出去，这样接收方就收到了粘包数据。接收方引起的粘包是由于接收方用户进程不及时接收数据，从而导致粘包现象。这是因为接收方先把收到的数据放在系统接收缓冲区，用户进程从该缓冲区取数据，若下一包数据到达时前一包数据尚未被用户进程取走，则下一包数据放到系统接收缓冲区时就接到前一包数据之后，而用户进程根据预先设定的缓冲区大小从系统接收缓冲区取数据，这样就一次取到了多包数据（图1所示）。   
粘包情况有两种，一种是粘在一起的包都是完整的数据包（图1、图2所示），另一种情况是粘在一起的包有不完整的包（图3所示），此处假设用户接收缓冲区长度为m个字节。   
不是所有的粘包现象都需要处理，若传输的数据为不带结构的连续流数据（如文件传输），则不必把粘连的包分开（简称分包）。但在实际工程应用中，传输的数据一般为带结构的数据，这时就需要做分包处理。   
在处理定长结构数据的粘包问题时，分包算法比较简单；在处理不定长结构数据的粘包问题时，分包算法就比较复杂。特别是如图3所示的粘包情况，由于一包数据内容被分在了两个连续的接收包中，处理起来难度较大。实际工程应用中应尽量避免出现粘包现象。   
为了避免粘包现象，可采取以下几种措施。一是对于发送方引起的粘包现象，用户可通过编程设置来避免，TCP提供了强制数据立即传送的操作指令push，TCP软件收到该操作指令后，就立即将本段数据发送出去，而不必等待发送缓冲区满；二是对于接收方引起的粘包，则可通过优化程序设计、精简接收进程工作量、提高接收进程优先级等措施，使其及时接收数据，从而尽量避免出现粘包现象；三是由接收方控制，将一包数据按结构字段，人为控制分多次接收，然后合并，通过这种手段来避免粘包。   
以上提到的三种措施，都有其不足之处。第一种编程设置方法虽然可以避免发送方引起的粘包，但它关闭了优化算法，降低了网络发送效率，影响应用程序的性能，一般不建议使用。第二种方法只能减少出现粘包的可能性，但并不能完全避免粘包，当发送频率较高时，或由于网络突发可能使某个时间段数据包到达接收方较快，接收方还是有可能来不及接收，从而导致粘包。第三种方法虽然避免了粘包，但应用程序的效率较低，对实时应用的场合不适合。   
一种比较周全的对策是：接收方创建一预处理线程，对接收到的数据包进行预处理，将粘连的包分开。对这种方法我们进行了实验，证明是高效可行的。   
 
三、编程与实现   
1．实现框架   
实验网络通信程序采用TCP/IP协议的Socket  API编程实现。Socket是面向客户机/服务器模型的。TCP实现框架如图4所示。   
2．实验硬件环境：   
服务器：Pentium  350  微机   
客户机：Pentium  166微机   
网络平台：由10兆共享式HUB连接而成的局域网   
3．实验软件环境：   
操作系统：Windows  98   
编程语言：Visual  C++  5.0   
4．主要线程   
编程采用多线程方式，服务器端共有两个线程：发送数据线程、发送统计显示线程。客户端共有三个线程：接收数据线程、接收预处理粘包线程、接收统计显示线程。其中，发送和接收线程优先级设为THREAD_PRIORITY_TIME_CRITICAL（最高优先级），预处理线程优先级为THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL（高于普通优先级），显示线程优先级为THREAD_PRIORITY_NORMAL（普通优先级）。   
实验发送数据的数据结构如图5所示：   
5．分包算法   
针对三种不同的粘包现象，分包算法分别采取了相应的解决办法。其基本思路是首先将待处理的接收数据流（长度设为m）强行转换成预定的结构数据形式，并从中取出结构数据长度字段，即图5中的n，而后根据n计算得到第一包数据长度。   
1)若n2)若n=m，则表明数据流内容恰好是一完整结构数据，直接将其存入临时缓冲区即可。   
3)若n>m，则表明数据流内容尚不够构成一完整结构数据，需留待与下一包数据合并后再行处理。   
对分包算法具体内容及软件实现有兴趣者，可与作者联系。   
 
四、实验结果分析   
实验结果如下：   
1．在上述实验环境下，当发送方连续发送的若干包数据长度之和小于1500B时，常会出现粘包现象，接收方经预处理线程处理后能正确解开粘在一起的包。若程序中设置了“发送不延迟”：（setsockopt  (socket_name，IPPROTO_TCP，TCP_NODELAY，(char  *)  &on，sizeof  on)  ，其中on=1），则不存在粘包现象。   
2．当发送数据为每包1kB～2kB的不定长数据时，若发送间隔时间小于10ms，偶尔会出现粘包，接收方经预处理线程处理后能正确解开粘在一起的包。   
3．为测定处理粘包的时间，发送方依次循环发送长度为1.5kB、1.9kB、1.2kB、1.6kB、1.0kB数据，共计1000包。为制造粘包现象，接收线程每次接收前都等待10ms，接收缓冲区设为5000B，结果接收方收到526包数据，其中长度为5000B的有175包。经预处理线程处理可得到1000包正确数据，粘包处理总时间小于1ms。   
实验结果表明，TCP粘包现象确实存在，但可通过接收方的预处理予以解决，而且处理时间非常短（实验中1000包数据总共处理时间不到1ms），几乎不影响应用程序的正常工作。