【计网笔记】一起重温计网咯 | TCP协议的粘包/拆包问题

一起重温计网咯 | TCP协议的粘包/拆包问题

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• 前提概要
  • MTU,MSS
  • IP分片和TCP分段
  • TCP缓冲区
• TCP粘包/拆包
  • 什么是粘包/拆包问题？
  • 为什么会产生粘包/拆包问题？
  • 粘包/拆包的解决方案

前提概要

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MTU,MSS

在学习IP分片和TCP分段之前，我们先来学习一下MTU和MSS的概念

• MTU
  Maxitum Transmission Unit 最大传输单元。 MTU典型的应用就是在IP分片中，MTU其实是数据链路层的最大传输单元，使用了不同的数据链路层，也会导致不同的MTU, 我们最常见的以太网数据链路方式的MTU是1500b
• MSS
  Maxitum Segment Size 最大分段大小。 一般情况下，只有TCP类似协议才用的上MSS， TCP在传输大量数据的时候，只要数据大于MSS大小，就会进行TCP数据段的分段传输。MSS是传输层TCP连接一次可以发送的最大数据大小。
  

MTU和MSS的关系：

• MTU和MSS的关系一般如上图，我们数据链路层以以太网数据帧举例，以太网帧大小一般为1518b
• MTU = 以太网帧 - 以太网帧首 - 以太网帧尾 = 1500b
• MSS = MTU - IP首部 - TCP首部 = 1460b

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IP分片和TCP分段

什么是IP分片？

• 网络层就会涉及到IP分片(Fragment)的问题。一个IP数据报在以太网中传输，如果它的长度大于以太网帧的MTU,就要将数据进行分片，使得每片数据报的长度小于MTU，分批传输。
• 分片传输的IP报因为各种原因是不一定按序到达的，既目的机器乱序接收，也由目的机器按序重组。因为IP首部中的 “片偏移” 字段可以判断一个IP数据报是否分片以及当前分片属于整个数据报的起始，中间还是末尾位置。
  
  上图来源于网络

什么是TCP分段？

• 我们知道TCP是以流动的方式传输数据，传输的最小单位为一个报文段（segment）。TCP Header中有个Options标识位，常见的标识为MSS，用于记录TCP段的最大分段大小，在以太网中，因为MTU一般为1500比特, 所以MSS = MTU - IP Header - TCP Header ，也就是1460比特
• TCP在传送大量数据的时候，如果数据量大于MSS，那么数据段就会被分割成MSS大小进行传输。MSS是在三次握手的时候，在两端主机之间被计算得出的。两端的主机在发出建立连接的请求时，会在TCP首部写入MSS选项，告诉对方自己的接口能够适应MSS的大小。然后在两者之间选择一个较小值作为通讯双方的MSS

上图来源于网络

因为TCP协议中存在TCP分段的设计，所以从传输层到网络层的过程中，因为数据包是不可能超过MSS的长度，而MSS正常来说肯定是小于MTU的长度。所以，我们可以判断TCP协议基本上是不会发生IP分片，IP分片是相对UDP协议，ICMP等协议而言的。

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TCP缓冲区

• 通常所说的TCP收发缓冲区和Socket收发缓冲区其实是一个东西，但这说法不完整正确，要取决于Socket是基于那种传输层协议，因为UDP也有缓冲区。
• TCP为提高性能，发送端会将需要发送的数据发送到缓冲区，等待缓冲区满了之后，再将缓冲中的数据发送到接收方。同理，接收方也有缓冲区这样的机制，来接收数据
• 如果没有缓冲区的话，那么要做到保证接收的数据是按顺序传输的，那么如果位于x序号之后的序号分组先到达目的主机的运输层的话必然丢弃，这样的话将在重传上花费很大的开销，所以一般如果有过大的序号达到接收端，那么会按照序号缓存起来等待之前的序号分许到达，然后一并交付到应用进程。
• TCP缓冲区和窗口大小是相关的，我们知道窗口大小是在不断的变化的，可以理解为TCP缓冲区是窗口大小的最大值，而窗口大小是TCP缓冲区目前还能接收多少的数据

TCP粘包/拆包

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什么是粘包/拆包问题？

• 因为TCP协议是面向字节流的，所有数据在TCP层面看来，都只是一串无边界的流，即数据与数据之间是没有边界的。
• 因为TCP协议中的数据是没有边界的流。如果用户对服务端发送了多个独立的数据，比如 "你好吗" ， "你吃了吗" 两条数据，但是在TCP层面上看来，数据格式就是 "你好吗你吃了吗" ，所以我们就无法识别出哪里才算一个完整的数据包
• 因为接收方不知道怎么才算一个完整的数据包，所以当接收方把 "你好吗你吃了吗" 数据流识别成 “你好” 和 “吗你吃饭了吗”，这就造成了拆包问题，把一个独立数据包的一部分拆分了成了两个包。如果我们的接收方把数据识别成了 "你好吗你吃了吗"，那么这就造成了粘包问题，把两个独立数据粘在一起了。

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为什么会产生粘包/拆包问题？

为什么拆包？

• 应用程序写入的数据大于Socket缓冲区大小时，就会造成拆包
• 待发送数据大于MSS最大TCP段长度，TCP在传输前将进行拆包

为什么粘包？

• 应用程序写入数据小于Socket缓冲区的大小，多个独立的数据包被陆续或同时写入这个缓冲区，这就造成粘包
• 如果接收方不及时读取Socket缓冲区中的数据，那么这可能将会导致发生粘包问题

所以我们可以知道TCP协议的粘包/拆包问题是TCP协议的特性导致的，主要是因为TCP分段以及TCP缓存区造成的，一定程度上可以说，是传输层导致的问题，而解决方案则是由应用层来解决。所以粘包/拆包问题也跟IP分片没有关系，只跟TCP分段有关系

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粘包/拆包的解决方案

• 使用带消息头的应用层协议。消息头存储消息开始标识及消息长度信息，服务端获取消息头的时候解析出消息长度，然后向后读取该长度的内容
• 设置定长消息。应用层协议规定每个完整的数据包的定长，服务端每次读取既定长度的消息
• 设置消息边界。类似http协议一样，每个完整的数据包后面都使用换行符或空格等符号表示

参考资料

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• 《图解TCP/IP》
• TCP分段与IP分片 - @作者： SilentAssassin
• 产生tcp粘包和拆包的原因 - @作者：uule
• TCP粘包拆包的产生原因分析及解决思路 - @作者：江流川
• TCP协议的滑动窗口具体是怎样控制流量的？- @作者：知乎
• MTU & MSS 详解记录（转）- @作者：沧海一滴
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