netty学习笔记14 - TCP粘包和拆包

其他 2020-03-09 11:38:01 阅读次数: 0

TCP粘包与拆包基本介绍

  1. TCP是面向连接的，面向流的，提供高可靠 性服务。收发两端 （客户端 和服务端）都要有一一对比的socket，因此，发送端为了就多个发给服务端的包，更有效的发给对方，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，合成 一个大的数据块，然后进行封包。这样做虽然高效，但接收端就难与分辨出完整的数据包了，因为面向流的通信是无消息保护边界的
  2. 由于TCP无消息保护边界，需要在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
  3. TCP粘包，拆包图解
    在这里插入图片描述
    假设 客户端分别发送了2个数据包D1和D2给服务端，由于服务端一次读到的字节数是不定的，故可能出现以下四种情况：
    • 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。

下面我们来编写一个程序，如果没有做处理，就会发生粘包和拆包问题

客户端程序：

public class NettyClient {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        EventLoopGroup eventLoopGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.group(eventLoopGroup)
                    .channel(NioSocketChannel.class)
                    .handler(new NettyClientInitialize());

            System.out.println("客户端启动。。。");
            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("127.0.0.1", 6666).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            eventLoopGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}


/////////////////////////////////////
public class NettyClientInitialize extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
    @Override
    protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
        ChannelPipeline pipeline = socketChannel.pipeline();
        pipeline.addLast(new NettyClientHandler());
    }
}

/////////////////////////////////////////
public class NettyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    /**
     * 通道就绪就会触发此方法, 发送10条数据给服务器
     * @param ctx
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            String msg = "Hello,服务器，我是消息"  +  i;
            ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer(msg, CharsetUtil.UTF_8));
        }
    }

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;
        System.out.println("收到服务器发来消息：" + byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
    }
}

服务端程序

public class NettyServer {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 初始化2个线程组
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        try {
            // 引导程序
            ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
            serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup)
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .childHandler(new NettyServerInitialize());

            System.out.println("服务器启动。。。");
            ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind(6666).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

//////////////////////////////////////////////////////////////////////
public class NettyServerInitialize extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
    @Override
    protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
        ChannelPipeline pipeline = socketChannel.pipeline();
        pipeline.addLast(new NettyServerHandler());
    }
}

////////////////////////////////////////////////////////////////////
public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    private int count;

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        System.out.println("服务器ChannelRead方法被调用"+ (++count) + "次数");
        ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;
        System.out.println("收到客户端发来消息："+ byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
    }

    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        // 发送消息给客户端
        String msg = "Hello,我是服务器  ";
        ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer(msg, CharsetUtil.UTF_8));
    }
}

我没来运行2个客户端，来看看测试结果

服务器启动。。。
服务器ChannelRead方法被调用1次数
收到客户端发来消息：Hello,服务器，我是消息0Hello,服务器，我是消息1Hello,服务器，我是消息2Hello,服务器，我是消息3Hello,服务器，我是消息4Hello,服务器，我是消息5Hello,服务器，我是消息6Hello,服务器，我是消息7Hello,服务器，我是消息8Hello,服务器，我是消息9
服务器ChannelRead方法被调用1次数
收到客户端发来消息：Hello,服务器，我是消息0
服务器ChannelRead方法被调用2次数
收到客户端发来消息：Hello,服务器，我是消息1
服务器ChannelRead方法被调用3次数
收到客户端发来消息：Hello,服务器，我是消息2Hello,服务器，我是消息3Hello,服务器，我是消息4
服务器ChannelRead方法被调用4次数
收到客户端发来消息：Hello,服务器，我是消息5Hello,服务器，我是消息6
服务器ChannelRead方法被调用5次数
收到客户端发来消息：Hello,服务器，我是消息7
服务器ChannelRead方法被调用6次数
收到客户端发来消息：Hello,服务器，我是消息8Hello,服务器，我是消息9

客户端启动。。。
收到服务器发来消息：Hello,我是服务器  Hello,我是服务器  Hello,我是服务器  Hello,我是服务器  Hello,我是服务器  Hello,我是服务器

从运行结果 我们可以分析得出：

  1. 当我们从客户端连续发送10次消息到服务器，服务器这边接收不一定分10次接收，
  2. 服务器接收客户端发来的消息可以使一次性接收所有消息，也有可能是2次，3次或者9次等。这就是TCP的粘包和拆包问题了
  3. 服务器无法分辨出客户端发送消息的边界，因此我们需要来解决TCP粘包和拆包问题

TCP粘包和拆包解决 方案

  1. 使用自定义协议 + 编解码器来解决
  2. 关键就是要解决服务器端每次读取数据长度的问题，这个问题解决，就不会出现服务器多读或者少读 的问题，从而避免 了TCP粘包，拆包。

代码示例（自定义协议 + 编解码器）：

  • 要求客户端发送 5 个 Message 对象, 客户端每次发送一个 Message 对象
  • 服务器端每次接收一个Message, 分5次进行解码， 每读取到 一个Message , 会回复一个Message 对象 给客户端.

客户端程序

public class NettyClient {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        EventLoopGroup eventLoopGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.group(eventLoopGroup)
                    .channel(NioSocketChannel.class)
                    .handler(new NettyClientInitialize());

            System.out.println("客户端启动。。。");
            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("127.0.0.1", 6666).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            eventLoopGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

/////////////////////////////////public class NettyClientInitialize extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
    @Override
    protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
        ChannelPipeline pipeline = socketChannel.pipeline();
        // 加入编码器
        pipeline.addLast(new MessageEncoder());
        // 加入解码器
        pipeline.addLast(new  MessageDecoder());
        pipeline.addLast(new NettyClientHandler());
    }
}

客户端处理器

public class NettyClientHandler extends SimpleChannelInboundHandler<MessageProtocol> {
    /**
     * 通道就绪就会触发此方法, 发送10条数据给服务器
     * @param ctx
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            String msg = "Hello,服务器，我是消息"  +  i;
            byte[] content = msg.getBytes(CharsetUtil.UTF_8);
            int length = msg.getBytes(CharsetUtil.UTF_8).length;

            // 封装消息
            MessageProtocol messageProtocol = new MessageProtocol();
            messageProtocol.setLength(length);
            messageProtocol.setContent(content);

            ctx.writeAndFlush(messageProtocol);
        }
    }

    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, MessageProtocol messageProtocol) throws Exception {
        System.out.println("收到服务器发来消息：" + new String(messageProtocol.getContent()));
    }
}

协议类（关键）

public class MessageProtocol {
    // 表示发送数据的长度
    private int length;
    // 发送数据的内容
    private byte[] content;
    }

解码器和编码器（关键）

/**
 * 编码器
 */
public class MessageEncoder extends MessageToByteEncoder<MessageProtocol> {
    @Override
    protected void encode(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, MessageProtocol messageProtocol, ByteBuf byteBuf) throws Exception {
        System.out.println("编码器被调用");
        byteBuf.writeInt(messageProtocol.getLength());
        byteBuf.writeBytes(messageProtocol.getContent());
    }
}

/**
 * 解码器
 */
public class MessageDecoder extends ReplayingDecoder<Void> {
    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, ByteBuf byteBuf, List<Object> list) throws Exception {
        System.out.println("解码器被调用");
        // 得到消息长度和内容
        int length = byteBuf.readInt();
        byte[] content = new byte[length];
        byteBuf.readBytes(content);

        // 将消息封装成MessagePool,放入 list， 传递下一个handler业务处理
        MessageProtocol messageProtocol = new MessageProtocol();
        messageProtocol.setLength(length);
        messageProtocol.setContent(content);

        list.add(messageProtocol);
    }
}

服务端程序

public class NettyServer {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 初始化2个线程组
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        try {
            // 引导程序
            ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
            serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup)
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .childHandler(new NettyServerInitialize());

            System.out.println("服务器启动。。。");
            ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind(6666).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

public class NettyServerInitialize extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
    @Override
    protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
        ChannelPipeline pipeline = socketChannel.pipeline();
        // 加入编解码器
        pipeline.addLast(new MessageEncoder());
        pipeline.addLast(new MessageDecoder());
        pipeline.addLast(new NettyServerHandler());
    }
}

服务端处理器

public class NettyServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler<MessageProtocol> {
    private int count;

    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, MessageProtocol messageProtocol) throws Exception {
        System.out.println("服务器channelRead0方法被调用"+ (++count) + "次数");
        byte[] content = messageProtocol.getContent();
        System.out.println("收到客户端发来消息："+ new String(content));
    }

    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        // 发送消息给客户端
        String msg = "Hello,我是服务器  ";
        byte[] content = msg.getBytes(CharsetUtil.UTF_8);
        int length = msg.getBytes(CharsetUtil.UTF_8).length;
        // 封装对象
        MessageProtocol messageProtocol = new MessageProtocol();
        messageProtocol.setLength(length);
        messageProtocol.setContent(content);
        ctx.writeAndFlush(messageProtocol);
    }
}

运行结果（启动多个客户多）：

服务器启动。。。
解码器被调用
服务器channelRead0方法被调用1次数
收到客户端发来消息：Hello,服务器，我是消息0
解码器被调用
服务器channelRead0方法被调用2次数
收到客户端发来消息：Hello,服务器，我是消息1
解码器被调用
服务器channelRead0方法被调用3次数
收到客户端发来消息：Hello,服务器，我是消息2
解码器被调用
服务器channelRead0方法被调用4次数
收到客户端发来消息：Hello,服务器，我是消息3
解码器被调用
服务器channelRead0方法被调用5次数
收到客户端发来消息：Hello,服务器，我是消息4
编码器被调用
解码器被调用
服务器channelRead0方法被调用1次数
收到客户端发来消息：Hello,服务器，我是消息0
编码器被调用
解码器被调用
服务器channelRead0方法被调用2次数
收到客户端发来消息：Hello,服务器，我是消息1
编码器被调用
解码器被调用
服务器channelRead0方法被调用3次数
收到客户端发来消息：Hello,服务器，我是消息2
解码器被调用
服务器channelRead0方法被调用4次数
收到客户端发来消息：Hello,服务器，我是消息3
编码器被调用
解码器被调用
服务器channelRead0方法被调用5次数
收到客户端发来消息：Hello,服务器，我是消息4

从结果我们可得知，客户端发送5次信息，客户端根据协议接收5次消息，启用多个客户端测试结果还是一样，这样就完美结果了TCP粘包和拆包问题，

解决TCP粘包和拆包的关键在于定义发送消息的协议和编解码器，让消息根据协议和编解码器发送，从而结果了TCP拆包和粘问题。

魔舞清华
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