[Netty]——TCP粘包和拆包的解决之道(第四章)

TCP粘包和拆包的解决之道:LineBasedFrameDecoderStringDecoder分别为回车换行符消息解码器和字符串消息解码器

主要内容:

  • TCP粘包和拆包的基础知识
  • 没有考虑粘包和拆包问题的案例
  • 使用Netty解决读半包问题

【TCP粘包和拆包说明】

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,所以业务上认为,一个完整的包可能被TCP拆分成多个包发送,也能多个小包封装成一个大的数据包发送

TCP粘包和拆包

假设客户端发送D1、D2两个数据包给服务端,由于服务端一次读取的字节大小是不确定的,所以就出现了一下四种情况:

  • 没有发生粘包和拆包,2次读取到了2个独立的数据包D1、D2;
  • 一次读到2个数据包,D1和D2粘在一起,这就是粘包;
  • 分2次读取,第一次读取到完整的D1和D2的部分内容;第二次读取D2的剩余部分,这就是拆包;
  • 分2次读取,第一次读取D1的部分D1_1;第二次读取D1的剩余D1_2和D2的全部内容;
  • 如果此时服务端TCP接收滑窗比较小,而数据包D1和D2比较大的话,就可能导致服务端多次才能将D1和D2接收完,期间发生多次拆包;


【TCP粘包和拆包发生的原因】

  • 应用程序write写入的字节大小 > 套接口发送缓冲区的大小
  • 进行MSS大小的TCP分段
  • 以太网帧的payload大于MTU进行IP分片
TCP粘包和拆包的原因


【粘包问题的解决策略】

由于底层的TCP无法理解上层业务数据,所以底层无法保证数据包不被拆分和重组,这个问题只能通过上层的应用协议栈设计来解决,业内主流协议的解决方案:

  • 消息定长,例如每个报文的大小固定长度为200字节,如果不够,空位不缺
  • 在包尾增加回车换行符进行分割,例如FTP协议;
  • 将消息分为消息头和消息体,消息头包含表示消息总长度(消息体总长度)的> 字段,通常设计思路为消息头的第一个字段使用int32来表示消息的总长度;
  • 更加复杂的应用层协议;


【未考虑TCP粘包导致功能异常的案例】

只copy重要部分代码,其他代码和Time Server是一样的。

\color{green}{\small\mathbf{TimeServerHandler.java}}的方法channelRead添加如下代码:

        ByteBuf buf = (ByteBuf)msg;
        byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];
        buf.readBytes(req);
        String body = new String(req, "UTF-8").substring(0, req.length - System.getProperty("line.separator").length());
        System.out.println("The time server receive order : " + body + "; the counter is " + ++counter);
        String currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body) ? new Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD ORDER";
        currentTime += System.getProperty("line.separator");
        ByteBuf resp = Unpooled.copiedBuffer(currentTime.getBytes());
        ctx.write(resp);


\color{green}{\small\mathbf{TimeClientHandler.java}}的代码如下:

    /**
     * Creates a client-side handler.
     */
    public TimeCllientHandler() {
        // Demo Code 1 : time server
//        byte[] req = "QUERY TIME ORDER".getBytes();
//        firstMessage = Unpooled.buffer(req.length);
//        firstMessage.writeBytes(req);

        // Demo Code 2 : Sticky and unpacking bag
        req = ("QUERY TIME ORDER" + System.getProperty("line.separator")).getBytes();
    }

    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) {
        // Demo Code 2 : Sticky and unpacking bag
        ByteBuf message;
        for (int i = 0; i < 100; i++){
            message = Unpooled.buffer(req.length);
            message.writeBytes(req);
            ctx.writeAndFlush(message);
        }
    }

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws UnsupportedEncodingException {
        // Demo Code 1 : time server
//        ByteBuf buf = (ByteBuf)msg;
//        byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];
//        buf.readBytes(req);
//        String body = new String(req, "UTF-8");
//        System.out.println("Now is : " + body);

        // Demo Code 2 : Sticky and unpacking bag
        ByteBuf buf = (ByteBuf)msg;
        byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];
        buf.readBytes(req);
        String body = new String(req, "UTF-8");
        System.out.println("Now is : " + body + " ; the counter is : " + ++counter);

    }

运行结果,如下,运行结果并不是我们想要的

Server端
Client端


【利用LineBasedFrameDecoder解决TCP粘包问题】

Netty默认提供了多种编码器用于处理半包,只要熟练掌握这些类库的使用,TCP粘包就会变得很简单,你甚至都不需要去关心它。


\color{green}{\small\mathbf{TimeServer.java}}添加如下代码:

          // Demo Code 2 : resolve sticky and unpacking bag
          p.addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));
          p.addLast(new StringDecoder());


\color{green}{\small\mathbf{TimeServerHandler.java}}添加如下代码:

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws UnsupportedEncodingException {
        //Demo Code 1 : time server
//        ByteBuf buf = (ByteBuf)msg;
//        byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];
//        buf.readBytes(req);
//        String body = new String(req, "UTF-8");
//        System.out.println("This time server receive order : " + body);
//        String currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body) ? new Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD ORDER";
//        ByteBuf resp = Unpooled.copiedBuffer(currentTime.getBytes());
//        ctx.write(resp);

        //Demo Code 2 : Sticky and unpacking bag
//        ByteBuf buf = (ByteBuf)msg;
//        byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];
//        buf.readBytes(req);
//        String body = new String(req, "UTF-8").substring(0, req.length - System.getProperty("line.separator").length());
//        System.out.println("The time server receive order : " + body + "; the counter is " + ++counter);
//        String currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body) ? new Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD ORDER";
//        currentTime += System.getProperty("line.separator");
//        ByteBuf resp = Unpooled.copiedBuffer(currentTime.getBytes());
//        ctx.write(resp);

        //Demo Code 2 :  resolve sticky and unpacking bag
        String body = (String) msg;
        System.out.println("The time server receive order : " + body + "; the counter is " + ++counter);
        String currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body) ? new Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD ORDER";
        currentTime += System.getProperty("line.separator");
        ByteBuf resp = Unpooled.copiedBuffer(currentTime.getBytes());
        ctx.write(resp);
    }


\color{green}{\small\mathbf{TimeClient.java}}添加如下代码:

          // Demo Code 2 : resolve sticky and unpacking bag
          p.addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));
          p.addLast(new StringDecoder());


\color{green}{\small\mathbf{TimeClientHandler.java}}添加如下代码:

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws UnsupportedEncodingException {
        // Demo Code 1 : time server
//        ByteBuf buf = (ByteBuf)msg;
//        byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];
//        buf.readBytes(req);
//        String body = new String(req, "UTF-8");
//        System.out.println("Now is : " + body);

        // Demo Code 2 : Sticky and unpacking bag
//        ByteBuf buf = (ByteBuf)msg;
//        byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];
//        buf.readBytes(req);
//        String body = new String(req, "UTF-8");
//        System.out.println("Now is : " + body + " ; the counter is : " + ++counter);

        // Demo Code 2 : resolve sticky and unpacking bag
        String body = (String) msg;
        System.out.println("Now is : " + body + " ; the counter is : " + ++counter);
    }
解决了粘包问题的执行结果


\color{red}{{\Large\star\star\star\star\star}} \color{green}{\small\mathbf{【LineBasedFrameDecoder}} \color{green}{\small\mathbf{StringDecoder】}}的原理分析

\color{green}{{\small\mathbf{LineBasedFrameDecoder}}}的工作原理是依次遍历ByteBuf中的可读字节,判断是否有\n或者\r\n,如果有,就在此位置为结束位置,从可读索引到结束位置区间的字节就组成了一行。它是以换行符为结束标志的解码器,支持携带结束符和不携带结束符2种解码方式,同时支持配置单行字节的最大长度。如果连续读取到最大长度后仍然没有发现换行符,就会抛出异常,同时忽略掉之前的读到的异常码流。

\color{green}{{\small\mathbf{StringDecoder}}}就是将接收到的对象转换成字符串,然后继续调用后面的Handler。

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