Netty之路(二)TCP拆包/粘包问题

TCP传输协议是面向流的，就是没有界限的一串数据。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拆分成多个包就行发送，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拆包和粘包问题。

TCP拆包/粘包问题

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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字节数是不确定的，故可能存在以下四种情况：

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
服务端一次接受到了两个数据包，D1和D2粘合在一起，称之为TCP粘包
服务端分两次读取到了数据包，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，这称之为TCP拆包
服务端分两次读取到了数据包，第一次读取到了D1包的部分内容D1_1，第二次读取到了D1包的剩余部分内容D1_2和完整的D2包。
特别要注意的是，如果TCP的接受滑窗非常小，而数据包D1和D2比较大，很有可能会发生第五种情况，即服务端分多次才能将D1和D2包完全接受，期间发生多次拆包。

TCP拆包/粘包发生的原因

在网络通信的过程中，每次可以发送的数据包大小是受多种因素限制的，如 MTU 传输单元大小、MSS 最大分段大小、滑动窗口等。如果一次传输的网络包数据大小超过传输单元大小，那么我们的数据可能会拆分为多个数据包发送出去。如果每次请求的网络包数据都很小，一共请求了 10000 次，TCP 并不会分别发送 10000 次。因为 TCP 采用的 Nagle 算法对此作出了优化。

MTU 最大传输单元和 MSS 最大分段大小

MTU（Maxitum Transmission Unit） 是链路层一次最大传输数据的大小。MTU 一般来说大小为 1500 byte。MSS（Maximum Segement Size） 是指 TCP 最大报文段长度，它是传输层一次发送最大数据的大小。如下图所示，MTU 和 MSS 一般的计算关系为：MSS = MTU - IP 首部 - TCP首部，如果 MSS + TCP 首部 + IP 首部 > MTU，那么数据包将会被拆分为多个发送。这就是拆包现象。

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滑动窗口

滑动窗口是 TCP 传输层用于流量控制的一种有效措施，也被称为通告窗口。滑动窗口是数据接收方设置的窗口大小，随后接收方会把窗口大小告诉发送方，以此限制发送方每次发送数据的大小，从而达到流量控制的目的。这样数据发送方不需要每发送一组数据就阻塞等待接收方确认，允许发送方同时发送多个数据分组，每次发送的数据都会被限制在窗口大小内。由此可见，滑动窗口可以大幅度提升网络吞吐量。

现在来看一下滑动窗口是如何造成粘包、拆包的？

粘包：假设发送方的每256 bytes表示一个完整的报文，接收方由于数据处理不及时，这256个字节的数据都会被缓存到SO_RCVBUF(接收缓存区）中。如果接收方的SO_RCVBUF中缓存了多个报文，那么对于接收方而言，这就是粘包。

拆包：考虑另外一种情况，假设接收方的窗口只剩了128，意味着发送方最多还可以发送128字节，而由于发送方的数据大小是256字节，因此只能发送前128字节，等到接收方ack后，才能发送剩余字节。这就造成了拆包。

Nagle算法

TCP/IP协议中，无论发送多少数据，总是要在数据(DATA)前面加上协议头(TCP Header+IP Header)，同时，对方接收到数据，也需要发送ACK表示确认。

即使从键盘输入的一个字符，占用一个字节，可能在传输上造成41字节的包，其中包括1字节的有用信息和40字节的首部数据。这种情况转变成了4000%的消耗，这样的情况对于重负载的网络来是无法接受的。

为了尽可能的利用网络带宽，TCP总是希望尽可能的发送足够大的数据。（一个连接会设置MSS参数，因此，TCP/IP希望每次都能够以MSS尺寸的数据块来发送数据）。

Nagle算法就是为了尽可能发送大块数据，避免网络中充斥着许多小数据块。

Nagle算法的基本定义是任意时刻，最多只能有一个未被确认的小段。 所谓“小段”，指的是小于MSS尺寸的数据块，所谓“未被确认”，是指一个数据块发送出去后，没有收到对方发送的ACK确认该数据已收到。

Nagle算法的规则：

• 如果SO_SNDBUF(发送缓冲区）中的数据长度达到MSS，则允许发送；
• 如果该SO_SNDBUF中含有FIN，表示请求关闭连接，则先将SO_SNDBUF中的剩余数据发送，再关闭；
• 设置了TCP_NODELAY=true选项，则允许发送。TCP_NODELAY是取消TCP的确认延迟机制，相当于禁用了Nagle 算法。
• 未设置TCP_CORK选项时，若所有发出去的小数据包（包长度小于MSS）均被确认，则允许发送;
• 上述条件都未满足，但发生了超时（一般为200ms），则立即发送。

TCP拆包/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：

• 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。假设我们需要发送的数据是| AB | CDEF | GHIJ | K | LM | 5条数据，我们的固定长度为 4 字节，那么这5 条数据一共需要发送 4 个报文：

+------+------+------+------+

| ABCD | EFGH | IJKL | M000 |

+------+------+------+------+

消息定长法使用非常简单，但是缺点也非常明显，无法很好设定固定长度的值，如果长度太大会造成字节浪费，长度太小又会影响消息传输，所以在一般情况下消息定长法不会被采用。

• 在包尾增加回车换行符进行分割，以下例子采用\n来分割

+-------------------------+

| AB\nCDEF\nGHIJ\nK\nLM\n |

+-------------------------+

由于在发送报文时尾部需要添加特定分隔符，所以对于分隔符的选择一定要避免和消息体中字符相同，以免冲突。否则可能出现错误的消息拆分。比较推荐的做法是将消息进行编码，例如 base64 编码，然后可以选择 64 个编码字符之外的字符作为特定分隔符。特定分隔符法在消息协议足够简单的场景下比较高效，例如大名鼎鼎的 Redis 在通信过程中采用的就是换行分隔符。

• 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表示消息的总长度

消息头     消息体

+--------+----------+

| Length |  Content |

+--------+----------+

+-----+-------+-------+----+-----+

| 2AB | 4CDEF | 4GHIJ | 1K | 2LM |

+-----+-------+-------+----+-----+

消息长度 + 消息内容的使用方式非常灵活，且不会存在消息定长法和特定分隔符法的明显缺陷。当然在消息头中不仅只限于存放消息的长度，而且可以自定义其他必要的扩展字段，例如消息版本、算法类型等。