从简单通信协议开始
最近工作中又需要处理协议解析，我对协议解析和网络抓包其实还是小有研究，17年刚毕业的时候，就用Netty手写过SMPP协议的对接。（其实做协议解析是一个很枯燥的工作，如果协议解析可以像antlr那样子写grammar自动解析应该会很酷？）本文总结一下协议在tcp下编码拆包粘包的三种解决方案。
网上有一些人对拆包粘包的说法不是很认可，但是我觉得这个术语还是挺形象的。
首先，让我们来设计一个简单地通信协议，Sorry，客户端一直对服务器发送I am Sorry，服务端回复That's ok。如下图所示
让我们来写个demo程序实现这个协议
服务端
package main
import (
"fmt"
"net"
)
func main() {
listen, err := net.Listen("tcp", "localhost:1997")
if err != nil {
panic(err)
}
defer listen.Close()
for {
conn, err := listen.Accept()
if err != nil {
panic(err)
}
go handleRequest(conn)
}
}
// handle incoming requests
func handleRequest(conn net.Conn) {
// make a buffer to hold incoming data
buf := make([]byte, 1024)
// Read the incoming connection into the buffer
reqLen, err := conn.Read(buf)
if err != nil {
fmt.Println("error reading: ", err.Error())
}
if reqLen != 10 {
fmt.Println("invalid request size ", reqLen)
}
_, err = conn.Write([]byte("That's ok"))
if err != nil {
fmt.Println("error sending: ", err.Error())
}
}
客户端
use std::io::{Read, Write};
use std::net::TcpStream;
use std::str::from_utf8;
fn main() {
match TcpStream::connect("localhost:1997") {
Ok(mut stream) => {
println!("success connect to 1997");
let msg = b"I am Sorry";
let expect_resp = b"That's ok";
stream.write(msg);
println!("Send hello, awaiting reply");
// use 9 byte buffer
let mut data = [0 as u8; 9];
match stream.read_exact(&mut data) {
Ok(_) => {
if &data == expect_resp {
println!("Reply is ok")
} else {
let text = from_utf8(&data).unwrap();
println!("Unexpected reply: {}", text);
}
},
Err(e) => {
println!("Failed to receive data: {}", e);
}
}
}
Err(e) => {
println!("Failed to connect: {}", e)
}
}
}
注意上面在服务端的实现中，我们校验了请求体的大小。
运行成功，我们在Wireshark上可以看到
目标端口为1997，这是客户端发出的报文。当然也能看到响应的报文
那么，如果客户端是个十分礼貌的人，他如果连续发送10个I am Sorry呢？我们将代码修改为
for _ in 0..10 {
stream.write(msg);
}
服务端报错了，服务端收到了一个请求，大小为100。并不是新手预期的10个大小为10的消息，
那么实际在网络中是如何传输的呢？一定是1个大小为100的消息吗？答案是否定的。在我的这次测试中，在TCP层，分成了两组消息，第一个大小为10，包含一个I am Sorry
另一个大小为90，包含9个
揭秘时刻
TCP协议
TCP和UDP不同，它是一个基于流的协议，TCP并不识别你定义的协议规则，只负责将这些报文打包发送，它可以基于TCP_NODELAY、Nagle算法等，任意的对你的报文进行切分发送。有两个典型的场景：第一个像上文中的例子，两个及以上的包在一个TCP数据包发送了，有个很形象的名字叫粘包。还有一个，因为报文过大，拆分成两个TCP报文发送，这叫拆包。
应用层读取
常见API，应用层读取也不保证单次操作一定仅仅读取一个tcp数据包，会根据你提供的buffer大小，尽量提供数据。你读取到的可能是上一个TCP包的末尾和下一个TCP包的开头部分。
总结
TCP是基于流的协议，并非基于报文。TCP提供了保序的语义保证，这要求应用程序，尤其是接收者，需要能够从报文流中提取出协议信息，TCP决不保证读取到的报文恰好是发送者一次write写入的报文，即使能在测试环境通过case，那也只不过是你运气好而已。
像我们上面，读取到100大小的消息。根据协议大小请求固定为10，我们就可以将100消息分割为10条协议报文。如果读取到的大小为96，那就先处理前90个字节，剩下6个字节，待后面4个字节到达之后再合并处理。下一节我们详细介绍一下几种常见方式。
常见TCP协议定义方式
定长编码
就像我们例子中的那样一样，定义一个定长宽度，然后切分
使用Go的gnet库的Server例子
import "github.com/panjf2000/gnet"
type ExampleServer struct {
*gnet.EventServer
}
func main() {
codec := gnet.NewFixedLengthFrameCodec(10)
gnet.Serve(&ExampleServer{}, "tcp://localhost:1998", gnet.WithCodec(codec))
}
基于分隔符
基于分隔符的编码也十分容易理解，双方约定好一个字符，并在正常报文中不出现这个字符（出现则需要转义），比较类似的是以太网的7d7d?这个计算机网络链路层相关的知乎，学太久了，忘记了。
import "github.com/panjf2000/gnet"
type ExampleServer struct {
*gnet.EventServer
}
func main() {
codec := gnet.NewDelimiterBasedFrameCodec(0x11)
gnet.Serve(&ExampleServer{}, "tcp://localhost:1998", gnet.WithCodec(codec))
}
基于固定行数的编码
这个也很简单，协议内容不换行，发送完再发送一个换行符，比较类似的有HTTP的\r\n
package main
import "github.com/panjf2000/gnet"
type ExampleServer struct {
*gnet.EventServer
}
func main() {
gnet.Serve(&ExampleServer{}, "tcp://localhost:1998", gnet.WithCodec(&gnet.LineBasedFrameCodec{}))
}
长度编码
长度编码是使用最多的，最流行的一种编码方式。最简单的一种工作方式是，在报文的最开始数个字节（常见为4个字节，足以编码4个G长度，相比之下两个字节仅能存放64K消息），声明报文剩余内容的长度。以Kafka协议举例
Kafka这条消息，在TCP层占据的总长度为87字节，其中前4个字节00 00 00 53声明为83长度，为其余报文的长度。
这一模式还有很多变体，如
- 声明的长度包括其长度字段本身的长度
- 长度字段并不是打头的字段
- 长度字段的长度
等等。这也就是下面解码器，拥有的参数非常多的原因，都是为了适配这些变体
import (
"encoding/binary"
"github.com/panjf2000/gnet"
)
type ExampleServer struct {
*gnet.EventServer
}
func main() {
encoderConfig := gnet.EncoderConfig{
ByteOrder: binary.BigEndian,
LengthFieldLength: 4,
LengthAdjustment: 0,
LengthIncludesLengthFieldLength: true,
}
decoderConfig := gnet.DecoderConfig{
ByteOrder: binary.BigEndian,
LengthFieldOffset: 0,
LengthFieldLength: 4,
LengthAdjustment: -4,
InitialBytesToStrip: 4,
}
codec := gnet.NewLengthFieldBasedFrameCodec(encoderConfig, decoderConfig)
gnet.Serve(&ExampleServer{}, "tcp://localhost:1998", gnet.WithCodec(codec))
}
事实上，长度字段编码格式是我见过开源代码使用最多的格式，像MQTT、KAFKA、SMPP等都使用这种格式。其中原因，个人觉得在于声明长度之后，buffer申请及释放，可以简化很多，性能最好。
其他网络协议使用的编码方式
MQTT
使用长度字段编码格式
AMQP
AMQP的解析较为麻烦，它根据协议目前的状态，同时使用定长编码和长度字段两种编码方式。这就要求解码器不仅仅要处理报文，还要处理当前协议交互到那个状态了。
定长场景
长度字段模式
代码地址
- Go代码: https://github.com/Shoothzj/go_demo/tree/main/demo_gnet/codec
- Rust代码:https://github.com/Shoothzj/rust-demo/blob/main/demo-tcp-client/src/main.rs