Netty之七TCP粘包和拆包及解决方案

个人专题目录

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1. TCP 粘包和拆包及解决方案

1.1 TCP 粘包和拆包基本介绍

1. TCP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给接收端的包，更有效的发给对方，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。这样做虽然提高了效率，但是接收端就难于分辨出完整的数据包了，因为面向流的通信是无消息保护边界的
2. 由于TCP无消息保护边界, 需要在接收端处理消息边界问题，也就是我们所说的粘包、拆包问题

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。

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。

1.2 TCP 粘包和拆包解决方案

粘包情况有两种:

• 粘在一起的包都是完整的数据包;
• 粘在一起的包有不完整的包。

解决粘连包的方法大致分为如下三种:

1. 发送方开启TCP_NODELAY，但是会加重网络负担
2. 接收方简化或者优化流程尽可能快的接收数据，治标不治本
3. 人为强制分包每次只读一个完整的包。使用自定义协议+ 编解码器来解决，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。
   1. 每次都只读取一个完整的包，不如不足一个完整的包，就等下次再接收，如果缓冲区有N个包要接受，那么需要分N次才能接收完成；
   2. 有多少接收多少，将接収的数据缓存在一个临时的缓存中，交由后续的专门解码的线程/进程处理。
   3. 以上两种分包方式，如果强制关闭程序，数据会存在丢失，第一种数据丢失在接收缓冲区；第二种丢失在程序自身缓存。

Netty自带的几种粘连包解决方案:

1. DelimiterBasedFrameDecoder
   1. FixedLengthFrameDecoder
   2. LengthFieldBasedFrameDecoder

在基于流的传输里比如TCP/IP，接收到的数据会先被存储到一个socket接收缓冲里。不幸的是，基于流的传输并不是一个数据包队列，而是一个字节队列。即使你发送了2个独立的数据包，操作系统也不会作为2个消息处理而仅仅是作为一连串的字节而言。因此这是不能保证你远程写入的数据就会准确地读取。所以一个接收方不管他是客户端还是服务端，都应该把接收到的数据整理成一个或者多个更有意思并且能够让程序的业务逻辑更好理解的数据。

netty使用tcp/ip协议传输数据。而tcp/ip协议是类似水流一样的数据传输方式。多次访问的时候有可能出现数据粘包的问题，解决这种问题的方式如下：

定长数据流

客户端和服务器，提前协调好，每个消息长度固定。（如：长度10）。如果客户端或服务器写出的数据不足10，则使用空白字符补足（如：使用空格）。每个完整请求数据长度为8字节等。（FixedLengthFrameDecoder）

特殊结束符

客户端和服务器，协商定义一个特殊的分隔符号，分隔符号长度自定义。如：‘#’、‘’、‘AA@’。在通讯的时候，只要没有发送分隔符号，则代表一条数据没有结束。 每个完整请求数据末尾使用’\0’作为数据结束标记。（DelimiterBasedFrameDecoder）

协议

相对最成熟的数据传递方式。有服务器的开发者提供一个固定格式的协议标准。客户端和服务器发送数据和接受数据的时候，都依据协议制定和解析消息。http协议格式等。

使用POJO来替代传递的流数据，如：每个完整的请求数据都是一个RequestMessage对象，在Java语言中，使用POJO更符合语种特性，推荐使用。

1.3 具体实例

/**
 * 协议包
 *
 * @author Administrator
 */
public class MessageProtocol {
    private int len;
    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;
    }
}

public class MyClientHandler extends SimpleChannelInboundHandler {

    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(StandardCharsets.UTF_8);
            int length = mes.getBytes(StandardCharsets.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, StandardCharsets.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();
    }
}

public class MyMessageEncoder extends MessageToByteEncoder {
    @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());
    }
}

public class MyMessageDecoder extends ReplayingDecoder {
    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List