TCP 的粘包和拆包以及解决方案

TCP 是一个传输协议。TCP 在发送数据的时候,往往不会将数据一次性发送。如下所示:
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而是将数据拆分成很多个部分,然后再逐个发送。像下图这样:

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那么为什么 TCP 协议不一次性发完所有的数据?比如我们要传一个大小为 10M 的文件,对于应用层而言,就是一次传送完成的。而传输层的协议为什么不选择将这个文件一次发送完呢?首先这个有很多原因,比如为了稳定,降低整体任务出错的概率,以及减小底层网络处理的压力,再比如说为了效率,网络中有时候存在着并行的路径,拆分数据包就能更好地利用这些并行的路径。

总之,由于方方面面的原因:在传输层封包的数据块不能太大。这种限制,往往是以缓冲区大小为单位的。也就是 TCP 协议,会将数据拆分成不超过缓冲区大小的一个个部分。每个部分有一个独特的名词,叫作 TCP 段(TCP Segment)

在接收数据的时候,一个个 TCP 段又被重组成原来的数据。

像这样,数据经过拆分,然后传输,然后在目的地重组,俗称 拆包。所以拆包是将数据拆分成多个 TCP 段传输。那么粘包是什么呢?有时候,如果发往一个目的地的多个数据太小了,为了防止多次发送占用资源,TCP 协议有可能将它们合并成一个 TCP 段发送,在目的地再还原成多个数据,这个过程俗称 粘包。所以粘包是将多个数据合并成一个 TCP 段发送。


为什么会出现粘包和拆包?

TCP 是一个 面向流 的协议,所谓流就是没有界限的一长串二进制数据。TCP 作为传输层协议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数据包的划分,所以在业务上认为是一个完整的包,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,这就会出现粘包拆包的问题。

例如,TCP缓冲区是 1024 个字节大小,如果应用一次请求发送的数据量比较小,没达到缓冲区大小,TCP则会将多个请求合并为同一个请求进行发送,站在业务上来看这就是粘包;

如果应用一次请求发送的数据量比较大,超过了缓冲区大小,TCP就会将其拆分为多次发送,这就是拆包,也就是将一个大的包拆分为多个小包进行发送。

TCP 拆包的作用是将任务拆分处理,降低整体任务出错的概率,以及减小底层网络处理的压力。拆包过程需要保证数据经过网络的传输,又能恢复到原始的顺序。粘包是为了防止数据量过小,导致大量的传输,而将多个 TCP 段合并成一个发送。

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为什么UDP没有粘包?

粘包拆包问题在数据链路层、网络层以及传输层都有可能发生。日常的网络应用开发大都在传输层进行,由于UDP有消息保护边界,接收方一次只接受一条独立的信息,不会发生粘包拆包问题,因此粘包拆包问题只发生在TCP协议中。

举个例子:有三个数据包,大小分别为2k、4k、6k,如果采用UDP发送的话,不管接受方的接收缓存有多大,我们必须要进行至少三次以上的发送才能把数据包发送完,但是使用TCP协议发送的话,我们只需要接受方的接收缓存有12k的大小,就可以一次把这3个数据包全部发送完毕。


什么时候需要处理粘包现象?

需要处理粘包和拆包问题的场景包括:

  • 数据量较大或者频繁发送数据的应用场景,如视频流、音频流等。

  • 采用多线程或多进程处理数据的应用场景,如高并发服务器等。

  • 传输的数据格式不规则或者长度不定的应用场景,如JSON、XML等格式的数据。


如何处理粘拆包现象?

  1. 定长消息:发送方将每个数据包的长度固定,接收方按照固定长度进行接收和解析。

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  1. 分隔符消息:发送方在每个数据包之间加入一个特殊的分隔符,接收方按照分隔符进行分包和解析。
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  2. 消息头+消息体:发送方在每个数据包中加入消息头和消息体,消息头中包含消息体的长度等信息,接收方先接收消息头,再按照消息头中的长度信息接收消息体进行解析。

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