深入了解Netty【八】TCP拆包、粘包和解决方案

作者: ClawHub的技术分享 | 来源:发表于2019-12-02 21:05 被阅读0次

1、TCP协议传输过程

TCP协议是面向流的协议，是流式的，没有业务上的分段，只会根据当前套接字缓冲区的情况进行拆包或者粘包：

发送端的字节流都会先传入缓冲区，再通过网络传入到接收端的缓冲区中，最终由接收端获取。

2、TCP粘包和拆包概念

因为TCP会根据缓冲区的实际情况进行包的划分，在业务上认为，有的包被拆分成多个包进行发送，也可能多个晓小的包封装成一个大的包发送，这就是TCP的粘包或者拆包。

3、TCP粘包和拆包图解

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，故可能存在以下几种情况：

服务端分两次读取到两个独立的数据包，分别是D1和D2，没有粘包和拆包。
服务端一次接收到了两个数据包，D1和D2粘在一起，发生粘包。
服务端分两次读取到数据包，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，发生拆包。
服务端分两次读取到数据包，第一次读取到部分D1包，第二次读取到剩余的D1包和全部的D2包。

当TCP缓存再小一点的话，会把D1和D2分别拆成多个包发送。

4、TCP粘包和拆包解决策略

因为TCP只负责数据发送，并不处理业务上的数据，所以只能在上层应用协议栈解决，目前的解决方案归纳：

消息定长，每个报文的大小固定，如果数据不够，空位补空格。
在包的尾部加回车换行符标识。
将消息分为消息头与消息体，消息头中包含消息总长度。
设计更复杂的协议。

5、Netty中的解决办法

Netty提供了多种默认的编码器解决粘包和拆包：

5.1、LineBasedFrameDecoder

基于回车换行符的解码器，当遇到"\n"或者 "\r\n"结束符时，分为一组。支持携带结束符或者不带结束符两种编码方式，也支持配置单行的最大长度。
LineBasedFrameDecoder与StringDecoder搭配时，相当于按行切换的文本解析器，用来支持TCP的粘包和拆包。
使用例子：

private void start() throws Exception {
        //创建 EventLoopGroup
        NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        NioEventLoopGroup work = new NioEventLoopGroup();
        try {
            //创建 ServerBootstrap
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(group, work)
                    //指定使用 NIO 的传输 Channel
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    //设置 socket 地址使用所选的端口
                    .localAddress(new InetSocketAddress(port))
                    //添加 EchoServerHandler 到 Channel 的 ChannelPipeline
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        public void initChannel(SocketChannel ch) {
                            ChannelPipeline p = ch.pipeline();
                            p.addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));
                            p.addLast(new StringDecoder());
                            p.addLast(new StringEncoder());
                            p.addLast(new EchoServerHandler());
                        }
                    });
            //绑定的服务器;sync 等待服务器关闭
            ChannelFuture f = b.bind().sync();
            System.out.println(EchoServer.class.getName() + " started and listen on " + f.channel().localAddress());
            //关闭 channel 和 块，直到它被关闭
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            //关机的 EventLoopGroup，释放所有资源。
            group.shutdownGracefully().sync();
        }
    }

注意ChannelPipeline 中ChannelHandler的顺序，

5.2、DelimiterBasedFrameDecoder

分隔符解码器，可以指定消息结束的分隔符，它可以自动完成以分隔符作为码流结束标识的消息的解码。回车换行解码器实际上是一种特殊的DelimiterBasedFrameDecoder解码器。
使用例子（后面的代码只贴ChannelPipeline部分）：

ChannelPipeline p = ch.pipeline();
p.addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(1024, Unpooled.copiedBuffer("制定的分隔符".getBytes())));
p.addLast(new StringDecoder());
p.addLast(new StringEncoder());
p.addLast(new EchoServerHandler());

5.3、FixedLengthFrameDecoder

固定长度解码器，它能够按照指定的长度对消息进行自动解码,当制定的长度过大，消息过短时会有资源浪费，但是使用起来简单。

 ChannelPipeline p = ch.pipeline();
p.addLast(new FixedLengthFrameDecoder(1 << 5));
p.addLast(new StringDecoder());
p.addLast(new StringEncoder());
p.addLast(new EchoServerHandler());

5.4、LengthFieldBasedFrameDecoder

通用解码器，一般协议头中带有长度字段，通过使用LengthFieldBasedFrameDecoder传入特定的参数，来解决拆包粘包。
io.netty.handler.codec.LengthFieldBasedFrameDecoder的实例化：

    /**
     * Creates a new instance.
     *
     * @param maxFrameLength      最大帧长度。也就是可以接收的数据的最大长度。如果超过，此次数据会被丢弃。
     * @param lengthFieldOffset   长度域偏移。就是说数据开始的几个字节可能不是表示数据长度，需要后移几个字节才是长度域。
     * @param lengthFieldLength   长度域字节数。用几个字节来表示数据长度。
     * @param lengthAdjustment    数据长度修正。因为长度域指定的长度可以是header+body的整个长度，也可以只是body的长度。如果表示header+body的整个长度，那么我们需要修正数据长度。
     * @param initialBytesToStrip 跳过的字节数。如果你需要接收header+body的所有数据，此值就是0，如果你只想接收body数据，那么需要跳过header所占用的字节数。
     * @param failFast            如果为true，则在解码器注意到帧的长度将超过maxFrameLength时立即抛出TooLongFrameException，而不管是否已读取整个帧。
     *                            如果为false，则在读取了超过maxFrameLength的整个帧之后引发TooLongFrameException。
     */
    public LengthFieldBasedFrameDecoder(int maxFrameLength, int lengthFieldOffset, int lengthFieldLength,
                                        int lengthAdjustment, int initialBytesToStrip, boolean failFast) {
        //略
    }

maxFrameLength
最大帧长度。也就是可以接收的数据的最大长度。如果超过，此次数据会被丢弃。
lengthFieldOffset
长度域偏移。就是说数据开始的几个字节可能不是表示数据长度，需要后移几个字节才是长度域。
lengthFieldLength
长度域字节数。用几个字节来表示数据长度。
lengthAdjustment
数据长度修正。因为长度域指定的长度可以是header+body的整个长度，也可以只是body的长度。如果表示header+body的整个长度，那么我们需要修正数据长度。
initialBytesToStrip
跳过的字节数。如果你需要接收header+body的所有数据，此值就是0，如果你只想接收body数据，那么需要跳过header所占用的字节数。
failFast
如果为true，则在解码器注意到帧的长度将超过maxFrameLength时立即抛出TooLongFrameException，而不管是否已读取整个帧。
如果为false，则在读取了超过maxFrameLength的整个帧之后引发TooLongFrameException。

下面通过Netty源码中LengthFieldBasedFrameDecoder的注释几个例子看一下参数的使用：

5.4.1、2 bytes length field at offset 0, do not strip header

本例中的length字段的值是12 (0x0C)，它表示“HELLO, WORLD”的长度。默认情况下，解码器假定长度字段表示长度字段后面的字节数。

lengthFieldOffset = 0：开始的2个字节就是长度域，所以不需要长度域偏移。
lengthFieldLength = 2：长度域2个字节。
lengthAdjustment = 0：数据长度修正为0，因为长度域只包含数据的长度，所以不需要修正。
initialBytesToStrip = 0：发送和接收的数据完全一致，所以不需要跳过任何字节。

5.4.2、2 bytes length field at offset 0, strip header

因为我们可以通过调用readableBytes()来获得内容的长度，所以可能希望通过指定initialbystrip来删除长度字段。在本例中，我们指定2(与length字段的长度相同)来去掉前两个字节。

lengthFieldOffset = 0：开始的2个字节就是长度域，所以不需要长度域偏移。
lengthFieldLength = 2 ：长度域2个字节。
lengthAdjustment = 0：数据长度修正为0，因为长度域只包含数据的长度，所以不需要修正。
initialBytesToStrip = 2 ：我们发现接收的数据没有长度域的数据，所以要跳过长度域的2个字节。

5.4.3、2 bytes length field at offset 0, do not strip header, the length field represents the length of the whole message

在大多数情况下，length字段仅表示消息体的长度，如前面的示例所示。但是，在一些协议中，长度字段表示整个消息的长度，包括消息头。在这种情况下，我们指定一个非零长度调整。因为这个示例消息中的长度值总是比主体长度大2，所以我们指定-2作为补偿的长度调整。

lengthFieldOffset = 0：开始的2个字节就是长度域，所以不需要长度域偏移。
lengthFieldLength = 2：长度域2个字节。
lengthAdjustment = -2 ：因为长度域为总长度，所以我们需要修正数据长度，也就是减去2。
initialBytesToStrip = 0 ：发送和接收的数据完全一致，所以不需要跳过任何字节。

5.4.4、3 bytes length field at the end of 5 bytes header, do not strip header

下面的消息是第一个示例的简单变体。一个额外的头值被预先写入消息中。长度调整再次为零，因为译码器在计算帧长时总是考虑到预写数据的长度。

lengthFieldOffset = 2 ：(= the length of Header 1)跳过2字节之后才是长度域
lengthFieldLength = 3：长度域3个字节。
lengthAdjustment = 0：数据长度修正为0，因为长度域只包含数据的长度，所以不需要修正。
initialBytesToStrip = 0：发送和接收的数据完全一致，所以不需要跳过任何字节。

5.4.5、3 bytes length field at the beginning of 5 bytes header, do not strip header

这是一个高级示例，展示了在长度字段和消息正文之间有一个额外头的情况。您必须指定一个正的长度调整，以便解码器将额外的标头计数到帧长度计算中。

lengthFieldOffset = 0：开始的就是长度域，所以不需要长度域偏移。
lengthFieldLength = 3：长度域3个字节。
lengthAdjustment = 2 ：(= the length of Header 1) 长度修正2个字节，加2
initialBytesToStrip = 0：发送和接收的数据完全一致，所以不需要跳过任何字节。

5.4.6、2 bytes length field at offset 1 in the middle of 4 bytes header, strip the first header field and the length field

这是上述所有示例的组合。在长度字段之前有预写的header，在长度字段之后有额外的header。预先设置的header会影响lengthFieldOffset，而额外的leader会影响lengthAdjustment。我们还指定了一个非零initialBytesToStrip来从帧中去除长度字段和预定的header。如果不想去掉预写的header，可以为initialBytesToSkip指定0。

lengthFieldOffset = 1 ：(= the length of HDR1) ，跳过1个字节之后才是长度域
lengthFieldLength = 2：长度域2个字节
lengthAdjustment = 1： (= the length of HDR2)
initialBytesToStrip = 3 ：(= the length of HDR1 + LEN)

5.4.7、2 bytes length field at offset 1 in the middle of 4 bytes header, strip the first header field and the length field, the length field represents the length of the whole message

让我们对前面的示例进行另一个修改。与前一个示例的惟一区别是，length字段表示整个消息的长度，而不是消息正文的长度，就像第三个示例一样。我们必须把HDR1的长度和长度计算进长度调整里。请注意，我们不需要考虑HDR2的长度，因为length字段已经包含了整个头的长度。

lengthFieldOffset = 1：长度域偏移1个字节，之后才是长度域。
lengthFieldLength = 2：长度域2个字节。
lengthAdjustment = -3： (= the length of HDR1 + LEN, negative)数据长度修正-3个字节。
initialBytesToStrip = 3：因为接受的数据比发送的数据少3个字节，所以跳过3个字节。