golang 解决 TCP 粘包问题

什么是 TCP 粘包问题以及为什么会产生 TCP 粘包，本文不加讨论。本文使用 golang 的 bufio.Scanner 来实现自定义协议解包。

协议数据包定义

本文模拟一个日志服务器，该服务器接收客户端传到的数据包并显示出来

type Package struct { Version        [2]byte // 协议版本，暂定V1 Length         int16   // 数据部分长度 Timestamp      int64   // 时间戳 HostnameLength int16   // 主机名长度 Hostname       []byte  // 主机名 TagLength      int16   // 标签长度 Tag            []byte  // 标签 Msg            []byte  // 日志数据}

协议定义部分没有什么好讲的，根据具体的业务逻辑定义即可。

数据打包

由于 TCP 协议是语言无关的协议，所以直接把协议数据包结构体发送到 TCP 连接中也是不可能的，只能发送字节流数据，所以需要自己实现数据编码。所幸 golang 提供了 binary来帮助我们实现网络字节编码。

func (p *Package) Pack(writer io.Writer) error { var err error err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Version) err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Length) err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Timestamp) err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.HostnameLength) err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Hostname) err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.TagLength) err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Tag) err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Msg) return err}

Pack 方法的输出目标为 io.Writer，有利于接口扩展，只要实现了该接口即可编码数据写入。binary.BigEndian 是字节序，本文暂时不讨论，有需要的读者可以自行查找资料研究。

数据解包

解包需要将 TCP 数据包解析到结构体中，接下来会讲为什么需要添加几个数据无关的长度字段。

func (p *Package) Unpack(reader io.Reader) error { var err error err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Version) err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Length) err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Timestamp) err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.HostnameLength) p.Hostname = make([]byte, p.HostnameLength) err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Hostname) err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.TagLength) p.Tag = make([]byte, p.TagLength) err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Tag) p.Msg = make([]byte, p.Length-8-2-p.HostnameLength-2-p.TagLength) err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Msg) return err}

由于主机名、标签这种数据是不固定长度的，所以需要两个字节来标识数据长度，否则读取的时候只知道一个总的数据长度是无法区分主机名、标签名、日志数据的。

数据包的粘包问题解决

上文只是解决了编码/解码问题，前提是收到的数据包没有产生粘包问题，解决粘包就是要正确分割字节流中的数据。一般有以下做法：

1. 定长分隔(每个数据包最大为该长度) 缺点是数据不足时会浪费传输资源

2. 特定字符分隔(如\r\n) 缺点是如果正文中有\r\n就会导致问题

3. 在数据包中添加长度字段(本文采用的)

golang 提供了 bufio.Scanner 来解决粘包问题。

scanner := bufio.NewScanner(reader) // reader为实现了io.Reader接口的对象，如net.Connscanner.Split(func(data []byte, atEOF bool) (advance int, token []byte, err error) { if !atEOF && data[0] == 'V' { // 由于我们定义的数据包头最开始为两个字节的版本号，所以只有以V开头的数据包才处理   if len(data) > 4 { // 如果收到的数据>4个字节(2字节版本号+2字节数据包长度)     length := int16(0)     binary.Read(bytes.NewReader(data[2:4]), binary.BigEndian, &length) // 读取数据包第3-4字节(int16)=>数据部分长度     if int(length)+4 <= len(data) { // 如果读取到的数据正文长度+2字节版本号+2字节数据长度不超过读到的数据(实际上就是成功完整的解析出了一个包)       return int(length) + 4, data[:int(length)+4], nil     }   } } return})// 打印接收到的数据包for scanner.Scan() { scannedPack := new(Package) scannedPack.Unpack(bytes.NewReader(scanner.Bytes())) log.Println(scannedPack)}

本文的核心就在于 scanner.Split 方法，该方法用来解析 TCP 数据包

完整源码

package mainimport ( "bufio" "bytes" "encoding/binary" "fmt" "io" "log" "os" "time")type Package struct { Version        [2]byte // 协议版本 Length         int16   // 数据部分长度 Timestamp      int64   // 时间戳 HostnameLength int16   // 主机名长度 Hostname       []byte  // 主机名 TagLength      int16   // Tag长度 Tag            []byte  // Tag Msg            []byte  // 数据部分长度}func (p *Package) Pack(writer io.Writer) error { var err error err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Version) err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Length) err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Timestamp) err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.HostnameLength) err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Hostname) err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.TagLength) err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Tag) err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Msg) return err}func (p *Package) Unpack(reader io.Reader) error { var err error err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Version) err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Length) err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Timestamp) err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.HostnameLength) p.Hostname = make([]byte, p.HostnameLength) err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Hostname) err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.TagLength) p.Tag = make([]byte, p.TagLength) err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Tag) p.Msg = make([]byte, p.Length-8-2-p.HostnameLength-2-p.TagLength) err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Msg) return err}func (p *Package) String() string { return fmt.Sprintf("version:%s length:%d timestamp:%d hostname:%s tag:%s msg:%s",   p.Version,   p.Length,   p.Timestamp,   p.Hostname,   p.Tag,   p.Msg, )}func main() { hostname, err := os.Hostname() if err != nil {   log.Fatal(err) } pack := &Package{   Version:        [2]byte{'V', '1'},   Timestamp:      time.Now().Unix(),   HostnameLength: int16(len(hostname)),   Hostname:       []byte(hostname),   TagLength:      4,   Tag:            []byte("demo"),   Msg:            []byte(("现在时间是:" + time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05"))), } pack.Length = 8 + 2 + pack.HostnameLength + 2 + pack.TagLength + int16(len(pack.Msg)) buf := new(bytes.Buffer) // 写入四次，模拟TCP粘包效果 pack.Pack(buf) pack.Pack(buf) pack.Pack(buf) pack.Pack(buf) // scanner scanner := bufio.NewScanner(buf) scanner.Split(func(data []byte, atEOF bool) (advance int, token []byte, err error) {   if !atEOF && data[0] == 'V' {     if len(data) > 4 {       length := int16(0)       binary.Read(bytes.NewReader(data[2:4]), binary.BigEndian, &length)       if int(length)+4 <= len(data) {         return int(length) + 4, data[:int(length)+4], nil       }     }   }   return }) for scanner.Scan() {   scannedPack := new(Package)   scannedPack.Unpack(bytes.NewReader(scanner.Bytes()))   log.Println(scannedPack) } if err := scanner.Err(); err != nil {   log.Fatal("无效数据包") }}

写在最后

golang作为一门强大的网络编程语言，实现自定义协议是非常重要的，实际上实现自定义协议也不是很难，以下几个步骤：

1. 数据包编码

2. 数据包解码

3. 处理TCP粘包问题

4. 断线重连(可以使用心跳实现)(非必须)

   
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