netty开发之tcp粘包拆包问题

netty开发之tcp粘包拆包问题

1.粘包拆包问题

TCP是个”流”协议,所谓流,就是没有界限的一串数据.大家可以想想河里的流水,是连成一片的,其间是没有分界线的.但一般通讯程序开发是需要定义一个个相互独立的数据包的,比如用于登陆的数据包,用于注销的数据包.由于TCP”流”的特性以及网络状况,在进行数据传输时会出现以下几种情况.

假设我们连续调用两次send分别发送两段数据data1和data2,在接收端有以下几种接收情况(当然不止这几种情况,这里只列出了有代表性的情况).

A.先接收到data1,然后接收到data2.

B.先接收到data1的部分数据,然后接收到data1余下的部分以及data2的全部.

C.先接收到了data1的全部数据和data2的部分数据,然后接收到了data2的余下的数据.

D.一次性接收到了data1和data2的全部数据.

对于A这种情况正是我们需要的,不再做讨论.对于B,C,D的情况就是大家经常说的”粘包”,就需要我们把接收到的数据进行拆包,拆成一个个独立的数据包.为了拆包就必须在发送端进行封包.

另:对于UDP来说就不存在拆包的问题,因为UDP是个”数据包”协议,也就是两段数据间是有界限的,在接收端要么接收不到数据要么就是接收一个完整的一段数据,不会少接收也不会多接收.

2. 为什么会出现粘包粘包问题

1.由Nagle算法造成的发送端的粘包:Nagle算法是一种改善网络传输效率的算法.简单的说,当我们提交一段数据给TCP发送时,TCP并不立刻发送此段数据,而是等待一小段时间,看看在等待期间是否还有要发送的数据,若有则会一次把这两段数据发送出去.这是对Nagle算法一个简单的解释,详细的请看相关书籍.象C和D的情况就有可能是Nagle算法造成的.

2.接收端接收不及时造成的接收端粘包:TCP会把接收到的数据存在自己的缓冲区中,然后通知应用层取数据.当应用层由于某些原因不能及时的把TCP的数据取出来,就会造成TCP缓冲区中存放了几段数据(可以看一下：http://blog.csdn.net/russell_tao/article/details/9111769)

3. 什么时候会产生粘包粘包

两个简单概念长连接与短连接：

长连接

Client方与Server方先建立通讯连接，连接建立后不断开， 然后再进行报文发送和接收。

短连接

Client方与Server每进行一次报文收发交易时才进行通讯连接，交易完毕后立即断开连接。此种方式常用于一点对多点

通讯，比如多个Client连接一个Server.

什么时候需要考虑粘包问题?

如果利用tcp每次发送数据，就与对方建立连接，然后双方发送完一段数据后，就关闭连接，这样就不会出现粘包问题（因为只有一种包结构,类似于http协议）。关闭连接主要要双方都发送close连接（参考tcp关闭协议）。如：A需要发送一段字符串给B，那么A与B建立连接，然后发送双方都默认好的协议字符如”hello give me sth abour yourself”，然后B收到报文后，就将缓冲区数据接收,然后关闭连接，这样粘包问题不用考虑到，因为大家都知道是发送一段字符。

如果发送数据无结构，如文件传输，这样发送方只管发送，接收方只管接收存储就ok，也不用考虑粘包

如果双方建立连接，需要在连接后一段时间内发送不同结构数据，如连接后，有好几种结构：

“hello give me sth abour yourself”

“Don’t give me sth abour yourself”

那这样的话，如果发送方连续发送这个两个包出去，接收方一次接收可能会是”hello give me sth abour yourselfDon’t give me sth abour yourself” 这样接收方就傻了，到底是要干嘛？不知道，因为协议没有规定这么诡异的字符串，所以要处理把它分包，怎么分也需要双方组织一个比较好的包结构，所以一般可能会在头加一个数据长度之类的包，以确保接收。

粘包出现原因：在流传输中出现，UDP不会出现粘包，因为它有消息边界(参考Windows 网络编程)

发送端需要等缓冲区满才发送出去，造成粘包

接收方不及时接收缓冲区的包，造成多个包接收

4. 粘包粘包解决办法

为了避免粘包现象，可采取以下几种措施。一是对于发送方引起的粘包现象，用户可通过编程设置来避免，TCP提供了强制数据立即传送的操作指令push，TCP软件收到该操作指令后，就立即将本段数据发送出去，而不必等待发送缓冲区满；二是对于接收方引起的粘包，则可通过优化程序设计、精简接收进程工作量、提高接收进程优先级等措施，使其及时接收数据，从而尽量避免出现粘包现象；三是由接收方控制，将一包数据按结构字段，人为控制分多次接收，然后合并，通过这种手段来避免粘包。

以上提到的三种措施，都有其不足之处。第一种编程设置方法虽然可以避免发送方引起的粘包，但它关闭了优化算法，降低了网络发送效率，影响应用程序的性能，一般不建议使用。第二种方法只能减少出现粘包的可能性，但并不能完全避免粘包，当发送频率较高时，或由于网络突发可能使某个时间段数据包到达接收方较快，接收方还是有可能来不及接收，从而导致粘包。第三种方法虽然避免了粘包，但应用程序的效率较低，对实时应用的场合不适合。

5. netty提供的拆包粘包解决办法

分隔符

netty中提供的DelimiterBasedFrameDecoder可以自动完成以分隔符为码流结束标示的消息的解码，我们来看他的服务端和客户端的开发：

package com.phei.netty.frame.delimiter;

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.DelimiterBasedFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;
import io.netty.handler.logging.LogLevel;
import io.netty.handler.logging.LoggingHandler;

public class EchoServer {
public void bind(int port) throws Exception {
// 配置服务端的NIO线程组
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
try {
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.group(bossGroup, workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class).option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100)
.handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO)).childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ByteBuf delimiter = Unpooled.copiedBuffer("$_".getBytes());
ch.pipeline().addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(1024, delimiter));
ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());
ch.pipeline().addLast(new EchoServerHandler());
}
});

// 绑定端口，同步等待成功
ChannelFuture f = b.bind(port).sync();

// 等待服务端监听端口关闭
f.channel().closeFuture().sync();
} finally {
// 优雅退出，释放线程池资源
bossGroup.shutdownGracefully();
workerGroup.shutdownGracefully();
}
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
int port = 8080;
if (args != null && args.length > 0) {
try {
port = Integer.valueOf(args[0]);
} catch (NumberFormatException e) {
// 采用默认值
}
}
new EchoServer().bind(port);
}
}

我们来看这几行代码：

ByteBuf delimiter = Unpooled.copiedBuffer("$_".getBytes());
ch.pipeline().addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(1024, delimiter));
ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());
ch.pipeline().addLast(new EchoServerHandler());

首先我们创建了分隔符缓冲对此昂ByteBuf，我们使用$_作为分隔符；接着创建DelimiterBasedFrameDecoder对象，限定消息的长度，如果长度超过这个1024则跑出TooLongFrameException异常，第二个参数是缓冲区对象。

下面看EchoServerHandler的实现：

package com.phei.netty.frame.delimiter;

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelHandler.Sharable;
import io.netty.channel.ChannelHandlerAdapter;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;

@Sharable
public class EchoServerHandler extends ChannelHandlerAdapter {

int counter = 0;

@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
String body = (String) msg;
System.out.println("This is " + ++counter + " times receive client : [" + body + "]");
body += "$_";
ByteBuf echo = Unpooled.copiedBuffer(body.getBytes());
ctx.writeAndFlush(echo);
}

@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
cause.printStackTrace();
ctx.close();// 发生异常，关闭链路
}
}

我们直接打印收到的消息。

下面我们看客户端实现:

package com.phei.netty.frame.delimiter;

import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.DelimiterBasedFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;

public class EchoClient {

public void connect(int port, String host) throws Exception {
// 配置客户端NIO线程组
EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
try {
Bootstrap b = new Bootstrap();
b.group(group).channel(NioSocketChannel.class).option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ByteBuf delimiter = Unpooled.copiedBuffer("$_".getBytes());
ch.pipeline().addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(2, delimiter));
ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());
ch.pipeline().addLast(new EchoClientHandler());
}
});

// 发起异步连接操作
ChannelFuture f = b.connect(host, port).sync();

// 当代客户端链路关闭
f.channel().closeFuture().sync();
} finally {
// 优雅退出，释放NIO线程组
group.shutdownGracefully();
}
}

/**
* @param args
* @throws Exception
*/
public static void main(String[] args) throws Exception {
int port = 8080;
if (args != null && args.length > 0) {
try {
port = Integer.valueOf(args[0]);
} catch (NumberFormatException e) {
// 采用默认值
}
}
new EchoClient().connect(port, "127.0.0.1");
}
}