在TCP编程中，通常Sever端与Client通信时的消息都有着固定的消息格式，称之为协议(protocol)，例如FTP协议、Telnet协议等，有的公司也会自己开发协议。

那么协议到底是干什么的呢？说白了，协议了就是定义了数据通信的格式。主要是为了解决TCP编程中的粘包和拆包问题。

由于TCP（transport control protocol，传输控制协议）是面向连接的，面向流的，提供高可靠性服务。收发两端都要有一一成对的socket，因此，发送端为了将多个发往接收端的包，更有效的发到对方，使用了优化方法（Nagle算法），将多次间隔较小且数据量小的数据，合并成一个大的数据块，然后进行封包。这样接收端就难于分辨出来了，必须提供科学的拆包机制。即面向流的通信是无消息保护边界的。

UDP（user datagram protocol，用户数据报协议）是无连接的，面向消息的，提供高效率服务。不会使用块的合并优化算法，, 由于UDP支持的是一对多的模式，所以接收端的skbuff(套接字缓冲区）采用了链式结构来记录每一个到达的UDP包，在每个UDP包中就有了消息头（消息来源地址，端口等信息），这样对于接收端来说就容易进行区分处理了。 即面向消息的通信是有消息保护边界的。

由于TCP无消息保护边界, 需要在消息接收端处理消息边界问题，也就是我们所说的粘包、拆包问题；而UDP通信则不需要考虑此问题。

1、TCP粘包、拆包图解

1.png

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字节数是不确定的，故可能存在以下四种情况：

• 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
• 服务端一次接受到了两个数据包，D1和D2粘合在一起，称之为TCP粘包
• 服务端分两次读取到了数据包，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，这称之为TCP拆包
• 服务端分两次读取到了数据包，第一次读取到了D1包的部分内容D1_1，第二次读取到了D1包的剩余部分内容D1_2和完整的D2包。

特别要注意的是，如果TCP的接受滑窗非常小，而数据包D1和D2比较大，很有可能会发生第五种情况，即服务端分多次才能将D1和D2包完全接受，期间发生多次拆包。

2、粘包、拆包发生原因

粘包、拆包问题的产生原因主要有以下3种：

• socket缓冲区与滑动窗口
• MSS/MTU限制
• Nagle算法

2.1 socket缓冲区与滑动窗口

先明确一个概念：每个TCP socket在内核中都有一个发送缓冲区(SO_SNDBUF )和一个接收缓冲区(SO_RCVBUF)，TCP的全双工的工作模式以及TCP的滑动窗口便是依赖于这两个独立的buffer以及此buffer的填充状态。SO_SNDBUF和SO_RCVBUF 在windows操作系统中默认情况下都是8K。

2.1.1 SO_SNDBUF

进程发送的数据的时候(假设调用了一个send方法)，最简单情况（也是一般情况），将数据拷贝进入socket的内核发送缓冲区之中，然后send便会在上层返回。换句话说，send返回之时，数据不一定会发送到对端去（和write写文件有点类似），send仅仅是把应用层buffer的数据拷贝进socket的内核发送buffer中。

2.1.2 SO_RCVBUF

把接受到的数据缓存入内核，应用进程一直没有调用read进行读取的话，此数据会一直缓存在相应socket的接收缓冲区内。不管进程是否读取socket，对端发来的数据都会经由内核接收并且缓存到socket的内核接收缓冲区之中。read所做的工作，就是把内核缓冲区中的数据拷贝到应用层用户的buffer里面，仅此而已。

2.1.3 滑动窗口

TCP链接在三次握手的时候，会将自己的窗口大小(window size)发送给对方，其实就是SO_RCVBUF指定的值。之后在发送数据的时，发送方必须要先确认接收方的窗口没有被填充满，如果没有填满，则可以发送。

每次发送数据后，发送方将自己维护的对方的window size减小，表示对方的SO_RCVBUF可用空间变小。

当接收方处理开始处理SO_RCVBUF 中的数据时，会将数据从socket 在内核中的接受缓冲区读出，此时接收方的SO_RCVBUF可用空间变大，即window size变大，接受方会以ack消息的方式将自己最新的window size返回给发送方，此时发送方将自己的维护的接受的方的window size设置为ack消息返回的window size。

此外，发送方可以连续的给接受方发送消息，只要保证对方的SO_RCVBUF空间可以缓存数据即可，即window size>。当接收方的SO_RCVBUF`被填充满时，此时window size=0，发送方不能再继续发送数据，要等待接收方ack消息，以获得最新可用的window size。

现在来看一下SO_RCVBUF和滑动窗口是如何造成粘包、拆包的。

粘包：假设发送方的每256 bytes表示一个完整的报文，接收方由于数据处理不及时，这256个字节的数据都会被缓存到SO_RCVBUF中。如果接收方的SO_RCVBUF中缓存了多个报文，那么对于接收方而言，这就是粘包。

拆包：考虑另外一种情况，假设接收方的window size只剩了128，意味着发送方最多还可以发送128字节，而由于发送方的数据大小是256字节，因此只能发送前128字节，等到接收方ack后，才能发送剩余字节。这就造成了拆包。

2.2 MSS和MTU分片

MSS是Maximum Segement Size的缩写，表示TCP报文中data部分的最大长度，是TCP协议在OSI五层网络模型中传输层(transport layer)对一次可以发送的最大数据的限制。

MTU最大传输单元是Maxitum Transmission Unit的简写，是OSI五层网络模型中链路层对一次可以发送的最大数据的限制。

当需要传输的数据大于MSS或者MTU时，数据会被拆分成多个包进行传输。由于MSS是根据MTU计算出来的，因此当发送的数据满足MSS时，必然满足MTU。归根结底：限制一次可发送数据大小的是MTU，MSS只是TCP协议在MTU基础限制的传输层一次可传输的数据的大小。

为了更好的理解，我们先介绍一下在5层网络模型中应用通过TCP发送数据的流程：

2.png

• 对于应用层来说，只关心发送的数据DATA，将数据写入socket在内核中的缓冲区SO_SNDBUF即返回，操作系统会将SO_SNDBUF中的数据取出来进行发送。
• 传输层会在DATA前面加上TCP Header,构成一个完整的TCP报文。
• 当数据到达网络层时，网络层会在TCP报文的基础上再添加一个IP Header，也就是将自己的网络地址加入到报文中。
• 到数据链路层时，还会加上Datalink Header和CRC。
• 当到达物理层时，会将SMAC(Source Machine，数据发送方的MAC地址)，DMAC(Destination Machine，数据接受方的MAC地址 )和Type域加入。

可以发现数据在发送前，每一层都会在上一层的基础上增加一些内容，下图演示了MSS、MTU在这个过程中的作用。

3.png

MTU是以太网传输数据方面的限制，每个以太网帧都有最小的大小64bytes最大不能超过1518bytes。刨去以太网帧的帧头 （DMAC目的MAC地址48bit=6Bytes+SMAC源MAC地址48bit=6Bytes+Type域2bytes）14Bytes和帧尾 CRC校验部分4Bytes（这个部分有时候大家也把它叫做FCS），那么剩下承载上层协议的地方也就是Data域最大就只能有1500Bytes这个值 我们就把它称之为MTU。

由于MTU限制了一次最多可以发送1500个字节，而TCP协议在发送DATA时，还会加上额外的TCP Header和Ip Header，因此刨去这两个部分，就是TCP协议一次可以发送的实际应用数据的最大大小，也就是MSS。

MSS长度 = MTU长度 - IP Header - TCP Header

TCP Header的长度是20字节，IPv4中IP Header长度是20字节，IPV6中IP Header长度是40字节，因此：在IPV4中，以太网MSS可以达到1460byte；在IPV6中，以太网MSS可以达到1440byte。

需要注意的是MSS表示的一次可以发送的DATA的最大长度，而不是DATA的真实长度。发送方发送数据时，当SO_SNDBUF中的数据量大于MSS时，操作系统会将数据进行拆分，使得每一部分都小于MSS，这就是拆包，然后每一部分都加上TCP Header，构成多个完整的TCP报文进行发送，当然经过网络层和数据链路层的时候，还会分别加上相应的内容。

细心的读者会发现，通过wireshark抓包工具的抓取的记录中，TCP在三次握手中的前两条报文中都包含了MSS=65495的字样。这是因为我们的抓包案例的client和server都运行在本地，不需要走以太网，所以不受到以太网MTU=1500的限制。

MSS(65495) = MTU(65535) - IP Header(20) - TCP Header(20)

linux服务器上输入ifconfig命令，可以查看不同网卡的MTU大小，如下：

# ifconfig
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 00:16:3E:02:0E:EA 
          inet addr:10.144.211.78  Bcast:10.144.223.255  Mask:255.255.240.0
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:266023788 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:1768555 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000
          RX bytes:12103832054 (11.2 GiB)  TX bytes:138231258 (131.8 MiB)
          Interrupt:164
 
 
lo        Link encap:Local Loopback 
          inet addr:127.0.0.1  Mask:255.0.0.0
          UP LOOPBACK RUNNING  MTU:65535  Metric:1
          RX packets:499956845 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:499956845 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:0
          RX bytes:86145804231 (80.2 GiB)  TX bytes:86145804231 (80.2 GiB)

可以看到，默认情况下，与外部通信的网卡eth0的MTU大小是1500个字节。而本地回环地址的MTU大小为65535，这是因为本地测试时数据不需要走网卡，所以不受到1500的限制。

MTU的大小可以通过类似以下命令修改：

ip link set eth0 mtu 65535

2.3 Nagle算法

TCP/IP协议中，无论发送多少数据，总是要在数据前面加上协议头，同时，对方接收到数据，也需要发送ACK表示确认。

即使从键盘输入的一个字符，占用一个字节，可能在传输上造成41字节的包，其中包括1字节的有用信息和40字节的首部数据。这种情况转变成了4000%的消耗，这样的情况对于重负载的网络来是无法接受的。

为了尽可能的利用网络带宽，TCP总是希望尽可能的发送足够大的数据。（一个连接会设置MSS参数，因此，TCP/IP希望每次都能够以MSS尺寸的数据块来发送数据）。Nagle算法就是为了尽可能发送大块数据，避免网络中充斥着许多小数据块。

Nagle算法的基本定义是任意时刻，最多只能有一个未被确认的小段。 所谓“小段”，指的是小于MSS尺寸的数据块，所谓“未被确认”，是指一个数据块发送出去后，没有收到对方发送的ACK确认该数据已收到。

Nagle算法的规则：

1. 如果SO_SNDBUF中的数据长度达到MSS，则允许发送；
2. 如果该SO_SNDBUF中含有FIN，表示请求关闭连接，则先将SO_SNDBUF中的剩余数据发送，再关闭；
3. 设置了TCP_NODELAY=true选项，则允许发送。TCP_NODELAY是取消TCP的确认延迟机制，相当于禁用了Negale 算法。正常情况下，当Server端收到数据之后，它并不会马上向client端发送ACK，而是会将ACK的发送延迟一段时间（假一般是40ms），它希望在t时间内server端会向client端发送应答数据，这样ACK就能够和应答数据一起发送，就像是应答数据捎带着ACK过去。当然，TCP确认延迟40ms并不是一直不变的，TCP连接的延迟确认时间一般初始化为最小值40ms，随后根据连接的重传超时时间（RTO）、上次收到数据包与本次接收数据包的时间间隔等参数进行不断调整。另外可以通过设置TCP_QUICKACK选项来取消确认延迟。
4. 未设置TCP_CORK选项时，若所有发出去的小数据包（包长度小于MSS）均被确认，则允许发送;
5. 上述条件都未满足，但发生了超时（一般为200ms），则立即发送。

3、粘包、拆包的解决方案

粘包、拆包问题给接收方的数据解析带来了麻烦。例如SO_RCVBUF中存在了多个连续的完整包(粘包)，因为每个包可能都是一个完整的请求或者响应，那么接收方需要能对此进行区分。如果存在不完整的数据(拆包)，则需要继续等待数据，直至可以构成一条完整的请求或者响应。

这个问题可以通过定义应用的协议(protocol)来解决。协议的作用就定义传输数据的格式。这样在接受到的数据的时候，如果粘包了，就可以根据这个格式来区分不同的包，如果拆包了，就等待数据可以构成一个完整的消息来处理。目前业界主流的协议(protocol)方案可以归纳如下：

3.1 定长协议

假设我们规定每3个字节，表示一个有效报文，如果我们分4次总共发送以下9个字节：

   +---+----+------+----+
   | A | BC | DEFG | HI |
   +---+----+------+----+

那么根据协议，我们可以判断出来，这里包含了3个有效的请求报文

   +-----+-----+-----+
   | ABC | DEF | GHI |
   +-----+-----+-----+

3.2 特殊字符分隔符协议

在包尾部增加回车或者空格符等特殊字符进行分割 。

例如，按行解析，遇到字符\n、\r\n的时候，就认为是一个完整的数据包。对于以下二进制字节流：

   +--------------+
   | ABC\nDEF\r\n |
   +--------------+

那么根据协议，我们可以判断出来，这里包含了2个有效的请求报文

   +-----+-----+
   | ABC | DEF |
   +-----+-----+

3.3 长度编码

将消息分为消息头和消息体，消息头中用一个int型数据(4字节)，表示消息体长度的字段。在解析时，先读取内容长度Length，其值为实际消息体内容占用的字节数，之后必须读取到这么多字节的内容，才认为是一个完整的数据报文。

  header    body
+--------+----------+
| Length |  Content |
+--------+----------+

总的来说，通信协议就是通信双方约定好的数据格式，发送方按照这个数据格式来发送，接受方按照这个格式来解析。因此发送方和接收方要完成的工作不同，发送方要将发送的数据转换成协议规定的格式，称之为编码(encode)；接收方需要根据协议的格式，对二进制数据进行解析，称之为解码(decode)。