Netty高级进阶之Netty中的粘包和拆包的解决方案

本文阐述了 Netty 中常见的粘包和拆包问题，并深入分析了常用的解决方案。

粘包和拆包简介

粘包和拆包是 TCP 网络编程中不可避免的，无论是服务端和客户端，当读取或发送消息时，都需要考虑 TCP 底层的粘包/拆包机制。

TCP 是个流协议，流，就是没有界限的一组数据。

TCP 底层并不了解上层业务数据的具体含义它会根据 TCP 的缓冲区的实际情况进行包的拆分。在业务上认为，一个完整的包可能会被 TCP 拆分成多个包进行发送，也有可能把多个小包封装成一个大的数据包发送，这就是 TCP 的粘包和拆包问题。

如图，假设客户端发送了两个数据包 D1 和 D2 给服务端，由于服务器一次读取到的字节数是不确定的，所以可能存在 4 种情况：

1. 服务器两次读到了两个独立的数据包，分别是 D1 和 D2，没有粘包和拆包

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2. 服务器一次读到了两个数据包，D1 和 D2 粘在一起，就是 TCP 粘包

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3. 如果 D2 的数据包比较大，服务端分两次读到了两个数据包，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，就是 TCP 拆包

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4. 如果 D1、D2 包都很大，服务端分多次才能将 D1 和 D2 读取完全，期间可能发生多次拆包

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TCP 粘包和拆包产生的原因

数据从发送方到接收方需要经过操作系统得到缓冲区，造成粘包和拆包的主要原因就是这个缓冲区。

粘包可以理解为缓冲区的数据堆积，导致多个请求粘在一起，拆包可以理解为发送的数据大于缓冲区，进行拆分处理。

粘包和拆包的代码演示

1. 粘包

   • 客户端

     /**
      * 通道就绪事件
      *
      * @param ctx
      * @throws Exception
      */
     @Override
     public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
         for (int i = 0; i < 10; i++) {
             ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("你好,我是Netty客户端" + i, CharsetUtil.UTF_8));
         }
     }

   • 服务端

     /**
      * 通道读取事件
      *
      * @param ctx
      * @param msg
      * @throws Exception
      */
     @Override
     public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
         ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;
         System.out.println("客户端发过来的消息：" + byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
         System.out.println("读取次数：" + (++count));
     }

   • 运行结果

     ​​

     ​​

     服务端一次读取了客户端发送过来的消息，应该读取 10 次， 因此发生粘包。

2. 拆包

   • 客户端

     /**
      * 通道就绪事件
      *
      * @param ctx
      * @throws Exception
      */
     @Override
     public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
         // 一次发送102400字节数据
         char[] chars = new char[102400];
         Arrays.fill(chars, 0, 102399, 'a');
         for (int i = 0; i < 10; i++) {
             ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer(chars, CharsetUtil.UTF_8));
         }
     }

   • 服务端

     /**
      * 通道读取事件
      *
      * @param ctx
      * @param msg
      * @throws Exception
      */
     @Override
     public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
         ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;
         // System.out.println("客户端发过来的消息：" + byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
         System.out.println("读取的长度：" + byteBuf.readableBytes());
         System.out.println("读取次数：" + (++count));
     }

   • 运行结果

     ​​

     ​​

     客户端发送的数据比较大时，读取了 18 次，应该读取 10 次，因此发生了拆包

粘包和拆包的解决方案

1. 业内的解决方案

   底层的 TCP 无法理解上层的业务数据，因此底层是无法解决粘包与拆包的。

   只能通过上层协议栈的设计来解决，目前业内主流的解决方案如下：

   • 消息长度固定，累计读取到长度和为定长 LEN 的报文之后，就认为读取到了一个完整的信息
   • 将换行符作为消息结束符
   • 将特殊分隔符作为消息结束标志，回车换行符就是特殊的结束分隔符
   • 通过在消息头中定义长度字段来标识消息的长度

2. Netty 的解决方案

   Netty 提供了 4 中解码器来解决，分别如下：

   • 固定长度的拆包器 FixedLengthFrameDecoder​ ， 每个应用层数据包的拆分都是固定长度大小

   • 行拆包器 LineBasedFrameDecoder​ ，每个应用层数据包，都以换行符作为分隔符，进行分割拆分

   • 分隔符拆包器 DelimiterBasedFrameDecoder​ ，每个应用层数据包，都通过自定义分隔符，进行分割拆分

   • 基于数据包长度的拆包器，LengthFieldBasedFrameDecoder​ 将应用层数据包的长度，作为接收端应用层数据包的拆分依据。

     按照应用层数据包的大小，进行拆包。

     这个拆包器有个要求，应用层协议包含数据包长度。

3. 代码实现

   • LineBasedFrameDcoder 解码器

     // 添加解码器，解决粘包问题
     ch.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(2048));

     ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("你好,我是Netty客户端" + i + "\n", CharsetUtil.UTF_8));

   • DelimiterBasedFrameDecoder 解码器

     ByteBuf byteBuf =
     Unpooled.copiedBuffer("$".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
     ch.pipeline().addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(2048, byteBuf));

     ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("你好呀,我是Netty客户端"+i+"$", CharsetUtil.UTF_8));

本文源码地址

netty-sticking-unpacking