美文网首页@IT·互联网
粘包与半包问题及解决方案

粘包与半包问题及解决方案

作者: 我可能是个假开发 | 来源:发表于2024-01-14 15:36 被阅读0次

    一、粘包现象

    服务端代码：

    public class HelloWorldServer {
    static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(HelloWorldServer.class);
    void start() {
        NioEventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup(1);
        NioEventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
        try {
            ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
            serverBootstrap.channel(NioServerSocketChannel.class);
            serverBootstrap.group(boss, worker);
            serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                @Override
                protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                    ch.pipeline().addLast(new LoggingHandler(LogLevel.DEBUG));
                    ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {
                        @Override
                        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
                            log.debug("connected {}", ctx.channel());
                            super.channelActive(ctx);
                        }

                        @Override
                        public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
                            log.debug("disconnect {}", ctx.channel());
                            super.channelInactive(ctx);
                        }
                    });
                }
            });
            ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind(8080);
            log.debug("{} binding...", channelFuture.channel());
            channelFuture.sync();
            log.debug("{} bound...", channelFuture.channel());
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("server error", e);
        } finally {
            boss.shutdownGracefully();
            worker.shutdownGracefully();
            log.debug("stoped");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new HelloWorldServer().start();
    }
}

    客户端代码希望发送 10 个消息，每个消息是 16 字节:

    public class HelloWorldClient {
    static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(HelloWorldClient.class);
    public static void main(String[] args) {
        NioEventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.channel(NioSocketChannel.class);
            bootstrap.group(worker);
            bootstrap.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                @Override
                protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                    log.debug("connetted...");
                    ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {
                        @Override
                        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
                            log.debug("sending...");
                            Random r = new Random();
                            char c = 'a';
                            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                                ByteBuf buffer = ctx.alloc().buffer();
                                buffer.writeBytes(new byte[]{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15});
                                ctx.writeAndFlush(buffer);
                            }
                        }
                    });
                }
            });
            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("127.0.0.1", 8080).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();

        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("client error", e);
        } finally {
            worker.shutdownGracefully();
        }
    }
}

    服务器端的某次输出，可以看到一次就接收了 160 个字节，而非分 10 次接收

    08:24:46 [DEBUG] [main] c.i.n.HelloWorldServer - [id: 0x81e0fda5] binding...
08:24:46 [DEBUG] [main] c.i.n.HelloWorldServer - [id: 0x81e0fda5, L:/0:0:0:0:0:0:0:0:8080] bound...
08:24:55 [DEBUG] [nioEventLoopGroup-3-1] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0x94132411, L:/127.0.0.1:8080 - R:/127.0.0.1:58177] REGISTERED
08:24:55 [DEBUG] [nioEventLoopGroup-3-1] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0x94132411, L:/127.0.0.1:8080 - R:/127.0.0.1:58177] ACTIVE
08:24:55 [DEBUG] [nioEventLoopGroup-3-1] c.i.n.HelloWorldServer - connected [id: 0x94132411, L:/127.0.0.1:8080 - R:/127.0.0.1:58177]
08:24:55 [DEBUG] [nioEventLoopGroup-3-1] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0x94132411, L:/127.0.0.1:8080 - R:/127.0.0.1:58177] READ: 160B
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f |................|
|00000010| 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f |................|
|00000020| 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f |................|
|00000030| 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f |................|
|00000040| 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f |................|
|00000050| 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f |................|
|00000060| 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f |................|
|00000070| 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f |................|
|00000080| 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f |................|
|00000090| 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f |................|
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
08:24:55 [DEBUG] [nioEventLoopGroup-3-1] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0x94132411, L:/127.0.0.1:8080 - R:/127.0.0.1:58177] READ COMPLETE

    二、半包现象

    客户端代码希望发送 1 个消息，这个消息是 160 字节，代码改为

    ByteBuf buffer = ctx.alloc().buffer();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    buffer.writeBytes(new byte[]{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15});
}
ctx.writeAndFlush(buffer);

    服务端修改一下接收缓冲区，其它代码不变:

    serverBootstrap.option(ChannelOption.SO_RCVBUF, 10);

    服务器端的某次输出，可以看到接收的消息被分为两节，第一次 20 字节，第二次 140 字节

    08:43:49 [DEBUG] [main] c.i.n.HelloWorldServer - [id: 0x4d6c6a84] binding...
08:43:49 [DEBUG] [main] c.i.n.HelloWorldServer - [id: 0x4d6c6a84, L:/0:0:0:0:0:0:0:0:8080] bound...
08:44:23 [DEBUG] [nioEventLoopGroup-3-1] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0x1719abf7, L:/127.0.0.1:8080 - R:/127.0.0.1:59221] REGISTERED
08:44:23 [DEBUG] [nioEventLoopGroup-3-1] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0x1719abf7, L:/127.0.0.1:8080 - R:/127.0.0.1:59221] ACTIVE
08:44:23 [DEBUG] [nioEventLoopGroup-3-1] c.i.n.HelloWorldServer - connected [id: 0x1719abf7, L:/127.0.0.1:8080 - R:/127.0.0.1:59221]
08:44:24 [DEBUG] [nioEventLoopGroup-3-1] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0x1719abf7, L:/127.0.0.1:8080 - R:/127.0.0.1:59221] READ: 20B
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f |................|
|00000010| 00 01 02 03                                     |....            |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
08:44:24 [DEBUG] [nioEventLoopGroup-3-1] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0x1719abf7, L:/127.0.0.1:8080 - R:/127.0.0.1:59221] READ COMPLETE
08:44:24 [DEBUG] [nioEventLoopGroup-3-1] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0x1719abf7, L:/127.0.0.1:8080 - R:/127.0.0.1:59221] READ: 140B
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 00 01 02 03 |................|
|00000010| 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 00 01 02 03 |................|
|00000020| 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 00 01 02 03 |................|
|00000030| 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 00 01 02 03 |................|
|00000040| 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 00 01 02 03 |................|
|00000050| 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 00 01 02 03 |................|
|00000060| 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 00 01 02 03 |................|
|00000070| 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 00 01 02 03 |................|
|00000080| 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f             |............    |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
08:44:24 [DEBUG] [nioEventLoopGroup-3-1] i.n.h.l.LoggingHandler - [id: 0x1719abf7, L:/127.0.0.1:8080 - R:/127.0.0.1:59221] READ COMPLETE

    serverBootstrap.option(ChannelOption.SO_RCVBUF, 10) 影响的底层接收缓冲区（即滑动窗口）大小，仅决定了 netty 读取的最小单位，netty 实际每次读取的一般是它的整数倍

    三、现象分析

    1.粘包

    • 现象，发送 abc def，接收 abcdef
    • 原因
      • 应用层：接收方 ByteBuf 设置太大（Netty 默认 1024）
      • 滑动窗口：假设发送方 256 bytes 表示一个完整报文，但由于接收方处理不及时且窗口大小足够大，这 256 bytes 字节就会缓冲在接收方的滑动窗口中，当滑动窗口中缓冲了多个报文就会粘包
      • Nagle 算法：会造成粘包

    2.半包

    • 现象，发送 abcdef，接收 abc def
    • 原因
      • 应用层：接收方 ByteBuf 小于实际发送数据量
      • 滑动窗口：假设接收方的窗口只剩了 128 bytes，发送方的报文大小是 256 bytes，这时放不下了，只能先发送前 128 bytes，等待 ack 后才能发送剩余部分，这就造成了半包
      • MSS 限制：当发送的数据超过 MSS 限制后，会将数据切分发送，就会造成半包

    本质是因为 TCP 是流式协议，消息无边界

    3.滑动窗口

    TCP 以一个段（segment）为单位，每发送一个段就需要进行一次确认应答（ack）处理，但如果这么做，缺点是包的往返时间越长性能就越差


    image.png

    为了解决此问题，引入了窗口概念，窗口大小即决定了无需等待应答而可以继续发送的数据最大值

    image.png

    窗口实际就起到一个缓冲区的作用，同时也能起到流量控制的作用

    • 图中深色的部分即要发送的数据，高亮的部分即窗口
    • 窗口内的数据才允许被发送，当应答未到达前，窗口必须停止滑动
    • 如果 1001~2000 这个段的数据 ack 回来了，窗口就可以向前滑动
    • 接收方也会维护一个窗口，只有落在窗口内的数据才能允许接收

    4.MSS 限制

    • 链路层对一次能够发送的最大数据有限制，这个限制称之为 MTU（maximum transmission unit），不同的链路设备的 MTU 值也有所不同，例如
    • 以太网的 MTU 是 1500
    • FDDI（光纤分布式数据接口）的 MTU 是 4352
    • 本地回环地址的 MTU 是 65535 - 本地测试不走网卡
    • MSS 是最大段长度（maximum segment size），它是 MTU 刨去 tcp 头和 ip 头后剩余能够作为数据传输的字节数
    • ipv4 tcp 头占用 20 bytes，ip 头占用 20 bytes，因此以太网 MSS 的值为 1500 - 40 = 1460
    • TCP 在传递大量数据时，会按照 MSS 大小将数据进行分割发送
    • MSS 的值在三次握手时通知对方自己 MSS 的值，然后在两者之间选择一个小值作为 MSS

    5.Nagle 算法

    • 即使发送一个字节，也需要加入 tcp 头和 ip 头，也就是总字节数会使用 41 bytes，非常不经济。因此为了提高网络利用率，tcp 希望尽可能发送足够大的数据，这就是 Nagle 算法产生的缘由
    • 该算法是指发送端即使还有应该发送的数据，但如果这部分数据很少的话，则进行延迟发送
      • 如果 SO_SNDBUF 的数据达到 MSS，则需要发送
      • 如果 SO_SNDBUF 中含有 FIN（表示需要连接关闭）这时将剩余数据发送，再关闭
      • 如果 TCP_NODELAY = true，则需要发送
      • 已发送的数据都收到 ack 时，则需要发送
      • 上述条件不满足，但发生超时（一般为 200ms）则需要发送
      • 除上述情况，延迟发送

    四、解决方案

    1. 短链接，发一个包建立一次连接，这样连接建立到连接断开之间就是消息的边界，缺点效率太低
    2. 每一条消息采用固定长度，缺点浪费空间
    3. 每一条消息采用分隔符，例如 \n，缺点需要转义
    4. 每一条消息分为 head 和 body，head 中包含 body 的长度

    1.短链接

    public class HelloWorldClient {
    static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(HelloWorldClient.class);

    public static void main(String[] args) {
        // 分 10 次发送
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            send();
        }
    }

    private static void send() {
        NioEventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.channel(NioSocketChannel.class);
            bootstrap.group(worker);
            bootstrap.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                @Override
                protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                    log.debug("conneted...");
                    ch.pipeline().addLast(new LoggingHandler(LogLevel.DEBUG));
                    ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {
                        @Override
                        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
                            log.debug("sending...");
                            ByteBuf buffer = ctx.alloc().buffer();
                            buffer.writeBytes(new byte[]{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15});
                            ctx.writeAndFlush(buffer);
                            // 发完即关
                            ctx.close();
                        }
                    });
                }
            });
            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("localhost", 8080).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();

        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("client error", e);
        } finally {
            worker.shutdownGracefully();
        }
    }
}

    半包用这种办法还是不好解决，因为接收方的缓冲区大小是有限的

    2.固定长度

    让所有数据包长度固定（假设长度为 8 字节）
    服务器端加入：ch.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(8));

    客户端：

    public class HelloWorldClient {
    static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(HelloWorldClient.class);

    public static void main(String[] args) {
        NioEventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.channel(NioSocketChannel.class);
            bootstrap.group(worker);
            bootstrap.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                @Override
                protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                    log.debug("connetted...");
                    ch.pipeline().addLast(new LoggingHandler(LogLevel.DEBUG));
                    ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {
                        @Override
                        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
                            log.debug("sending...");
                            // 发送内容随机的数据包
                            Random r = new Random();
                            char c = 'a';
                            ByteBuf buffer = ctx.alloc().buffer();
                            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                                byte[] bytes = new byte[8];
                                for (int j = 0; j < r.nextInt(8); j++) {
                                    bytes[j] = (byte) c;
                                }
                                c++;
                                buffer.writeBytes(bytes);
                            }
                            ctx.writeAndFlush(buffer);
                        }
                    });
                }
            });
            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("192.168.0.103", 9090).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();

        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("client error", e);
        } finally {
            worker.shutdownGracefully();
        }
    }
}

    缺点：数据包的大小不好把握

    • 长度定的太大，浪费
    • 长度定的太小，对某些数据包又显得不够

    3.固定分隔符（行解码器）

    服务端加入，默认以 \n 或 \r\n 作为分隔符，如果超出指定长度仍未出现分隔符，则抛出异常
    ch.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));

    客户端在每条消息之后，加入 \n 分隔符:

    public class HelloWorldClient {
    static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(HelloWorldClient.class);

    public static void main(String[] args) {
        NioEventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.channel(NioSocketChannel.class);
            bootstrap.group(worker);
            bootstrap.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                @Override
                protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                    log.debug("connetted...");
                    ch.pipeline().addLast(new LoggingHandler(LogLevel.DEBUG));
                    ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {
                        @Override
                        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
                            log.debug("sending...");
                            Random r = new Random();
                            char c = 'a';
                            ByteBuf buffer = ctx.alloc().buffer();
                            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                                for (int j = 1; j <= r.nextInt(16)+1; j++) {
                                    buffer.writeByte((byte) c);
                                }
                                buffer.writeByte(10);
                                c++;
                            }
                            ctx.writeAndFlush(buffer);
                        }
                    });
                }
            });
            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("192.168.0.103", 9090).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();

        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("client error", e);
        } finally {
            worker.shutdownGracefully();
        }
    }
}

    4.预设长度（LTC解码器）

    在发送消息前，先约定用定长字节表示接下来数据的长度

    // 最大长度，长度偏移，长度占用字节，长度调整，剥离字节数
ch.pipeline().addLast(new LengthFieldBasedFrameDecoder(1024, 0, 1, 0, 1));

    客户端代码:

    public class HelloWorldClient {
    static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(HelloWorldClient.class);

    public static void main(String[] args) {
        NioEventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.channel(NioSocketChannel.class);
            bootstrap.group(worker);
            bootstrap.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                @Override
                protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                    log.debug("connetted...");
                    ch.pipeline().addLast(new LoggingHandler(LogLevel.DEBUG));
                    ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {
                        @Override
                        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
                            log.debug("sending...");
                            Random r = new Random();
                            char c = 'a';
                            ByteBuf buffer = ctx.alloc().buffer();
                            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                                byte length = (byte) (r.nextInt(16) + 1);
                                // 先写入长度
                                buffer.writeByte(length);
                                // 再
                                for (int j = 1; j <= length; j++) {
                                    buffer.writeByte((byte) c);
                                }
                                c++;
                            }
                            ctx.writeAndFlush(buffer);
                        }
                    });
                }
            });
            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("192.168.0.103", 9090).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();

        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("client error", e);
        } finally {
            worker.shutdownGracefully();
        }
    }
}

    相关文章

      网友评论

        本文标题：粘包与半包问题及解决方案

        本文链接：https://www.haomeiwen.com/subject/oitsndtx.html

        延伸阅读

        深度阅读

        • 您也可以注册成为美文阅读网的作者，发表您的原创作品、分享您的心情！

        栏目导航

        热点阅读

        @IT·互联网

        关于我们|服务条款|联系我们|粘包与半包问题及解决方案|投稿指南|网站地图|RSS订阅|排版工具|手机版

        提供经典美文摘抄,优美散文欣赏,现代诗歌精选,短篇小说,心情随笔,表白情书范文,故事会在线阅读欣赏

        Copyright © 2014-2023 Haomeiwen.com All Rights Reserved. 好美文阅读网 版权所有

        备案信息：桂公网安备 45052102000051号 · 桂ICP备13007215号-3

        本站所收录作品、热点评论等信息部分来源互联网，目的只是为了系统归纳学习和传递资讯

        所有作品版权归原创作者所有，与本站立场无关，如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知，我们将做删除处理！