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Netty中粘包和拆包的解决方案

CodingDiary
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发布于 10/10 21:24
字数 1733
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粘包和拆包是TCP网络编程中不可避免的,无论是服务端还是客户端,当我们读取或者发送消息的时候,都需要考虑TCP底层的粘包/拆包机制。

TCP粘包和拆包

TCP是个“流”协议,所谓流,就是没有界限的一串数据。TCP底层并不了解上层业务数据的具体含义,它会根据TCP缓冲区的实际情况进行包的划分,所以在业务上认为,一个完整的包可能会被TCP拆分成多个包进行发送,也有可能把多个小的包封装成一个大的数据包发送,这就是所谓的TCP粘包和拆包问题。

img

如图所示,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的字节数是不确定的,故可能存在以下4种情况。

  1. 服务端分两次读取到了两个独立的数据包,分别是D1和D2,没有粘包和拆包;
  2. 服务端一次接收到了两个数据包,D1和D2粘合在一起,被称为TCP粘包;
  3. 服务端分两次读取到了两个数据包,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,这被称为TCP拆包
  4. 服务端分两次读取到了两个数据包,第一次读取到了D1包的部分内容D1_1,第二次读取到了D1包的剩余内容D1_2和D2包的整包。

如果此时服务端TCP接收滑窗非常小,而数据包D1和D2比较大,很有可能会发生第五种可能,即服务端分多次才能将D1和D2包接收完全,期间发生多次拆包。

TCP粘包和拆包产生的原因

数据从发送方到接收方需要经过操作系统的缓冲区,而造成粘包和拆包的主要原因就在这个缓冲区上。粘包可以理解为缓冲区数据堆积,导致多个请求数据粘在一起,而拆包可以理解为发送的数据大于缓冲区,进行拆分处理。

img

详细来说,造成粘包和拆包的原因主要有以下三个:

  1. 应用程序write写入的字节大小大于套接口发送缓冲区大小
  2. 进行MSS大小的TCP分段
  3. 以太网帧的payload大于MTU进行IP分片。

img

粘包和拆包的解决方法

由于底层的TCP无法理解上层的业务数据,所以在底层是无法保证数据包不被拆分和重组的,这个问题只能通过上层的应用协议栈设计来解决,根据业界的主流协议的解决方案,可以归纳如下。

  1. 消息长度固定,累计读取到长度和为定长LEN的报文后,就认为读取到了一个完整的信息
  2. 将回车换行符作为消息结束符
  3. 将特殊的分隔符作为消息的结束标志,回车换行符就是一种特殊的结束分隔符
  4. 通过在消息头中定义长度字段来标识消息的总长度

Netty中的粘包和拆包解决方案

针对上一小节描述的粘包和拆包的解决方案,对于拆包问题比较简单,用户可以自己定义自己的编码器进行处理,Netty并没有提供相应的组件。对于粘包的问题,由于拆包比较复杂,代码比较处理比较繁琐,Netty提供了4种解码器来解决,分别如下:

  1. 固定长度的拆包器 FixedLengthFrameDecoder,每个应用层数据包的都拆分成都是固定长度的大小
  2. 行拆包器 LineBasedFrameDecoder,每个应用层数据包,都以换行符作为分隔符,进行分割拆分
  3. 分隔符拆包器 DelimiterBasedFrameDecoder,每个应用层数据包,都通过自定义的分隔符,进行分割拆分
  4. 基于数据包长度的拆包器 LengthFieldBasedFrameDecoder,将应用层数据包的长度,作为接收端应用层数据包的拆分依据。按照应用层数据包的大小,拆包。这个拆包器,有一个要求,就是应用层协议中包含数据包的长度

以上解码器在使用时只需要添加到Netty的责任链中即可,大多数情况下这4种解码器都可以满足了,当然除了以上4种解码器,用户也可以自定义自己的解码器进行处理。具体可以参考以下代码示例:

// Server主程序
public class XNettyServer {
  public static void main(String[] args) throws Exception {
    // accept 处理连接的线程池
    NioEventLoopGroup acceptGroup = new NioEventLoopGroup();
    // read io 处理数据的线程池
    NioEventLoopGroup readGroup = new NioEventLoopGroup();
    try {
      ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
      serverBootstrap
          .group(acceptGroup, readGroup)
          .channel(NioServerSocketChannel.class)
          .childHandler(
              new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                @Override
                protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                  ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();

                  // 增加解码器
                  pipeline.addLast(new XDecoder());

                  // 打印出内容 handdler
                  pipeline.addLast(new XHandler());
                }
              });
      System.out.println("启动成功,端口 7777");
      serverBootstrap.bind(7777).sync().channel().closeFuture().sync();
    } finally {
      acceptGroup.shutdownGracefully();
      readGroup.shutdownGracefully();
    }
  }
}


// 解码器
public class XDecoder extends ByteToMessageDecoder {

  static final int PACKET_SIZE = 220;

  // 用来临时保留没有处理过的请求报文
  ByteBuf tempMsg = Unpooled.buffer();

  /**
   * @param ctx
   * @param in 请求的数据
   * @param out 将粘在一起的报文拆分后的结果保留起来
   * @throws Exception
   */
  @Override
  protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {
    System.out.println(Thread.currentThread() + "收到了一次数据包,长度是:" + in.readableBytes());

    // 合并报文
    ByteBuf message = null;
    int tmpMsgSize = tempMsg.readableBytes();
    // 如果暂存有上一次余下的请求报文,则合并
    if (tmpMsgSize > 0) {
      message = Unpooled.buffer();
      message.writeBytes(tempMsg);
      message.writeBytes(in);
      System.out.println("合并:上一数据包余下的长度为:" + tmpMsgSize + ",合并后长度为:" + message.readableBytes());
    } else {
      message = in;
    }

    int size = message.readableBytes();
    int counter = size / PACKET_SIZE;
    for (int i = 0; i < counter; i++) {
      byte[] request = new byte[PACKET_SIZE];
      // 每次从总的消息中读取220个字节的数据
      message.readBytes(request);

      // 将拆分后的结果放入out列表中,交由后面的业务逻辑去处理
      out.add(Unpooled.copiedBuffer(request));
    }

    // 多余的报文存起来
    // 第一个报文: i+  暂存
    // 第二个报文: 1 与第一次
    size = message.readableBytes();
    if (size != 0) {
      System.out.println("多余的数据长度:" + size);
      // 剩下来的数据放到tempMsg暂存
      tempMsg.clear();
      tempMsg.writeBytes(message.readBytes(size));
    }
  }
}


// 处理器
public class XHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

  @Override
  public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    ctx.flush();
  }

  @Override
  public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
    ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;
    byte[] content = new byte[byteBuf.readableBytes()];
    byteBuf.readBytes(content);
    System.out.println(Thread.currentThread() + ": 最终打印" + new String(content));
    ((ByteBuf) msg).release();
  }

  @Override
  public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
    cause.printStackTrace();
    ctx.close();
  }
}

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