使用Netty解决TCP粘包和拆包问题过程详解

时间:2021-04-03 人气:0

前言

上一篇我们介绍了如果使用Netty来开发一个简单的服务端和客户端，接下来我们来讨论如何使用解码器来解决TCP的粘包和拆包问题

TCP为什么会粘包/拆包

我们知道，TCP是以一种流的方式来进行网络转播的，当tcp三次握手简历通信后，客户端服务端之间就建立了一种通讯管道，我们可以想象成自来水管道，流出来的水是连城一片的，是没有分界线的。

TCP底层并不了解上层的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。

所以对于我们应用层而言。我们直观是发送一个个连续完整TCP数据包的，而在底层就可能会出现将一个完整的TCP拆分成多个包发送或者将多个包封装成一个大的数据包发送。

这就是所谓的TCP粘包和拆包。

当发生TCP粘包/拆包会发生什么情况

我们举一个简单例子说明：

客户端向服务端发送两个数据包：第一个内容为 123；第二个内容为456。服务端接受一个数据并做相应的业务处理（这里就是打印接受数据加一个逗号）。

那么服务端输出结果将会出现下面四种情况

服务端响应结果	结论
123，456，	正常接收，没有发生粘包和拆包
123456，	异常接收，发生tcp粘包
123，4，56，	异常接收，发生tcp拆包
12，3456，	异常接收，发生tcp拆包和粘包

如何解决

主流的协议解决方案可以归纳如下：

消息定长，例如每个报文的大小固定为20个字节，如果不够，空位补空格；
在包尾增加回车换行符进行切割；
将消息分为消息头和消息体，消息头中包含表示消息总长度的字段；
更复杂的应用层协议。

对于之前描述的案例，在这里我们就可以采取方案1和方案3。

以方案1为例：我们每次发送的TCP包只有三个数字，那么我将报文设置为3个字节大小的，此时，服务器就会以三个字节为基准来接受包，以此来解决站包拆包问题。

Netty的解决之道

LineBasedFrameDecoder

废话不多说直接上代码

服务端

public class PrintServer {

 public void bind(int port) throws Exception {
 // 配置服务端的NIO线程组
 EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
 EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
 try {
  ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
  b.group(bossGroup, workerGroup)
   .channel(NioServerSocketChannel.class)
   .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)
   .childHandler(new ChildChannelHandler());
  // 绑定端口，同步等待成功
  ChannelFuture f = b.bind(port).sync();

  // 等待服务端监听端口关闭
  f.channel().closeFuture().sync();
 } finally {
  // 优雅退出，释放线程池资源
  bossGroup.shutdownGracefully();
  workerGroup.shutdownGracefully();
 }
 }

 private class ChildChannelHandler extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
 @Override
 protected void initChannel(SocketChannel arg0) throws Exception {
  arg0.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024)); //1
  arg0.pipeline().addLast(new StringDecoder());    //2
  arg0.pipeline().addLast(new PrintServerHandler());
 }
 }


 public static void main(String[] args) throws Exception {
 int port = 8080;
 new TimeServer().bind(port);
 }
}

服务端Handler

public class PrintServerHandler extends ChannelHandlerAdapter {

 @Override
 public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg)
  throws Exception {
 ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;          
 byte[] req = new byte[buf.readableBytes()]; 
 buf.readBytes(req); //将缓存区的字节数组复制到新建的req数组中
 String body = new String(req, "UTF-8");
 System.out.println(body);
 String response= "打印成功";
 ByteBuf resp = Unpooled.copiedBuffer(response.getBytes());      
 ctx.write(resp);            
 } 

 @Override
 public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
 ctx.flush();              
 }


 @Override
 public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
 ctx.close();
 }
}

客户端

public class PrintClient {

 public void connect(int port, String host) throws Exception {
 EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();     
 try {
  Bootstrap b = new Bootstrap();        
   b.group(group)            
   .channel(NioSocketChannel.class)      
   .option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)    
   .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {  
   @Override
   public void initChannel(SocketChannel ch)    
    throws Exception {
     ch.pipeline().addLast(
     new LineBasedFrameDecoder(1024));   //3
    ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());  //4
    ch.pipeline().addLast(new PrintClientHandler());
   }
   });

  ChannelFuture f = b.connect(host, port).sync();    
  f.channel().closeFuture().sync();       
 } finally {
  // 优雅退出，释放NIO线程组
  group.shutdownGracefully();
 }
 }

 /**
  * @param args
  * @throws Exception
  */
 public static void main(String[] args) throws Exception {
 int port = 8080;
 new TimeClient().connect(port, "127.0.0.1");
 }
}

客户端的Handler

public class PrintClientHandler extends ChannelHandlerAdapter {

 private static final Logger logger = Logger
  .getLogger(TimeClientHandler.class.getName());

 private final ByteBuf firstMessage;

 /**
  * Creates a client-side handler.
  */
 public TimeClientHandler() {
 byte[] req = "你好服务端".getBytes();
 firstMessage = Unpooled.buffer(req.length);        
 firstMessage.writeBytes(req);

 }

 @Override
 public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) {
 ctx.writeAndFlush(firstMessage);            
 }

 @Override
 public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg)   
  throws Exception {
 ByteBuf buf = (ByteBuf) msg; 
 byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];
 buf.readBytes(req);
 String body = new String(req, "UTF-8");
 System.out.println("服务端回应消息 : " + body);
 }

 @Override
 public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) { 
 // 释放资源
 System.out.println("Unexpected exception from downstream : "
  + cause.getMessage());
 ctx.close();
 }
}

上诉代码逻辑与上一章代码逻辑相同，客户端接受服务端数据答应，并回复客户端信息，客户端接受到数据后打印数据。

我们观察代码可以发现，要想Netty解决粘包拆包问题，只需在编写服务端和客户端的pipeline上加上相应的解码器即可，上诉注释 1，2，3，4处。其余代码无需做任何修改。

LineBasedFrameDecoder+StringDecoder的组合就是按行切换的文本解码器，它被设计用来支持TCP的粘包和拆包。原理为：如果连续读取到最大长度后任然没有发现换行符，就会抛出异常，同时忽略掉之前督导的异常码流。

DelimiteBasedFrameDecoder

该解码器的可以自动完成以分割符作为码流结束标识的消息解码。（其实上一个解码器类似，如果指定分隔符为换行符，那么与上一个编码器的作用基本相同）

使用也很简单：

只需要修改服务端和客户端对应代码中的initChannel代码即可

   public void initChannel(SocketChannel ch)    
    ByteBuf delimiter = Unpooled.copiedBuffer("_".getBytes()); //1
    ch.pipeline().addLast(
     new DelimiterBasedFrameDecoder(1024,
      delimiter));          //2
    ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());     //3
    ch.pipeline().addLast(new PrintHandler());
   }

注释1：首先创建分隔符缓冲对象ByteBuf，并指定以"_"作为分隔符。

注释2：将分隔符缓冲对象ByteBuf传入DelimiterBasedFrameDecoder，并指定最大长度。

注释3：指定为字符串字节流

FixedLengthFrameDecoder

该解码器为固定长度解码器，它能够按照指定的长度对详细进行自动解码。

使用同样也很简单：

同样只需要修改服务端和客户端对应代码中的initChannel代码即可

 public void initChannel(SocketChannel ch)
    throws Exception {
    ch.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(20));
    ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());
    ch.pipeline().addLast(new PrintHandler());
   }
   });

这样我们就指定了，每接收20个字符大小的字符串字节流就将其看作一个包来经行处理。

总结

Netty已经在底层为我们做了很多事情，我们只需要简单的使用其提供好的解码器使用即可，源码内容待我研究归来，再进行展开，哈哈，完活~睡觉！

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