TCP粘包、拆包与通信协议详解

2019-07-10 16:07:38 浏览数 (1)

在TCP编程中，我们使用协议(protocol)来解决粘包和拆包问题。本文将详解TCP粘包和半包产生的原因，以及如何通过协议来解决粘包、拆包问题。让你知其然，知其所以然。

1 TCP粘包、拆包图解

由于TCP传输协议面向流的，没有消息保护边界。一方发送的多个报文可能会被合并成一个大的报文进行传输，这就是粘包；也可能发送的一个报文，可能会被拆分成多个小报文，这就是拆包。

下图演示了粘包、拆包的过程，client分别发送了两个数据包D1和D2给server，server端一次读取到字节数是不确定的，因此可能可能存在以下几种情况：

关于这几种情况说明如下：

  1. server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
  2. server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
  3. server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
  4. Server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。

由于发送方发送的数据，可能会发生粘包、拆包的情况。这样，对于接收端就难于分辨出来了，因此必须提供科学的机制来解决粘包、拆包问题，这就是协议的作用。

在介绍协议之前，我们先了解一下粘包、拆包产生的原因。

2 粘包、拆包产生的原因

粘包、拆包问题的产生原因笔者归纳为以下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

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的填充状态。

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。

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。再啰嗦一点，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。

滑动窗口：

TCP连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>0。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。

2.2 MSS/MTU分片

MTU (Maxitum Transmission Unit,最大传输单元)是链路层对一次可以发送的最大数据的限制。MSS（Maxitum Segment Size,最大分段大小)是TCP报文中data部分的最大长度，是传输层对一次可以发送的最大数据的限制。

要了解MSS/MTU，首先需要回顾一下TCP/IP五层网络模型模型。

数据在传输过程中，每经过一层，都会加上一些额外的信息：

  • 应用层：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(20字节)
  • 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。IPv4中IP Header长度是20字节，IPV6中IP Header长度是40字节。
  • 链路层：加上Datalink Header和CRC。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。SMAC DMAC Type CRC总长度为18字节。
  • 物理层：进行传输

在回顾这个基本内容之后，再来看MTU和MSS。MTU是以太网传输数据方面的限制，每个以太网帧最大不能超过1518bytes。刨去以太网帧的帧头(DMAC SMAC Type域）14Bytes和帧尾(CRC校验)4Bytes，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。

MSS是在MTU的基础上减去网络层的IP Header和传输层的TCP Header的部分，这就是TCP协议一次可以发送的实际应用数据的最大大小。

代码语言：javascript复制
MSS = MTU(1500) -IP Header(20 or 40)-TCP Header(20)

由于IPV4和IPV6的长度不同，在IPV4中，以太网MSS可以达到1460byte；在IPV6中，以太网MSS可以达到1440byte。

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，也形成了拆包，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。

另外需要注意的是：对于本地回环地址(lookback)不需要走以太网，所以不受到以太网MTU=1500的限制。linux服务器上输入ifconfig命令，可以查看不同网卡的MTU大小，如下：

上图显示了2个网卡信息：

  • eth0需要走以太网，所以MTU是1500；
  • lo是本地回环，不需要走以太网，所以不受1500的限制。

2.3 Nagle算法

TCP/IP协议中，无论发送多少数据，总是要在数据(DATA)前面加上协议头(TCP Header IP Header)，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。称之为"糊涂窗口综合征"。

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 通信协议

在了解了粘包、拆包产生的原因之后，现在来分析接收方如何对此进行区分。道理很简单，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。

通过定义通信协议(protocol)，可以解决粘包、拆包问题。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。

3.1 定长协议

定长协议：顾名思义，就是指定一个报文的必须具有固定的长度。例如，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：

代码语言：javascript复制
   --- ---- ------ ----   | 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，如下：

代码语言：javascript复制
    ----- ----- -----    | ABC | DEF | GHI |    ----- ----- -----

在定长协议中：

  • 发送方，必须保证发送报文长度是固定的。如果报文字节长度不能满足条件，如规定长度是1024字节，但是实际需要发送的内容只有900个字节，那么不足的部分可以补充0。因此定长协议可能会浪费带宽。
  • 接收方，每读取到固定长度的内容时，则认为读取到了一个完整的报文。

提示：Netty中提供了FixedLengthFrameDecoder，支持把固定的长度的字节数当做一个完整的消息进行解码

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、rn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：

代码语言：javascript复制
    --------------    | ABCnDEFrn |    --------------

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

代码语言：javascript复制
    ----- -----    | ABC | DEF |    ----- -----

在特殊字符分隔符协议中：

  • 发送方，需要在发送一个报文时，需要在报文尾部添加特殊分割符号；
  • 接收方，在接收到报文时，需要对特殊分隔符进行检测，直到检测到一个完整的报文时，才能进行处理。

在使用特殊字符分隔符协议的时候，需要注意的是，我们选择的特殊字符，一定不能在消息体中出现，否则可能会出现错误的拆包。例如，发送方希望把”12rn34”，当成一个完整的报文，如果是按行拆分，那么就会错误的拆分为2个报文。一种解决策略是，发送方对需要发送的内容预先进行base64编码，由于base64编码只包含64个字符：0-9、a-z、A-Z、 、/，我们可以选择这64个字符之外的特殊字符作为分隔符。

提示：netty中提供了DelimiterBasedFrameDecoder根据特殊字符进行解码。事实上，我们熟悉的的缓存服务器redis，也是通过换行符来区分一个完整的报文。

3.3 变长协议

将消息区分为消息头和消息体，在消息头中，我们使用一个整形数字，例如一个int，来表示消息体的长度。而消息体实际实际要发送的二进制数据字节。以下是一个基本格式：

代码语言：javascript复制
  header    body -------- ---------- | Length |  Content | -------- ----------

在变长协议中：

  • 发送方，发送数据之前，需要先获取需要发送内容的二进制字节大小，然后在需要发送的内容前面添加一个整数，表示消息体二进制字节的长度。
  • 接收方，在解析时，先读取内容长度Length，其值为实际消息体内容(Content)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。

提示：Netty中提供了LengthFieldPrepender给实际内容Content进行编码添加Length字段，接受方使用LengthFieldBasedFrameDecoder解码。

3.4 序列化

序列化本质上已经不是为了解决粘包和拆包问题，而是为了在网络开发中可以更加的便捷。在变长协议中，我们看到可以在实际要发送的数据之前加上一个length字段，表示实际要发送的数据的长度。这实际上给我们了一个很好的思路，我们完全可以将一个对象转换成二进制字节，来进行通信，例如使用一个Request对象表示请求，使用一个Response对象表示响应。

序列化框架有很多种，我们在选择时，主要考虑序列化/反序列化的速度，序列化占用的体积，多语言支持等。下面列出了业界流行的序列化框架：

框架

支持语言

官网

jdk序列化

Java

hessian

支持多种，不包含go

http://hessian.caucho.com/

fst

Java

https://github.com/RuedigerMoeller/fast-serialization

protobuf

几乎所有主流语言

https://developers.google.cn/protocol-buffers/

protostuff

Java

https://protostuff.github.io/

avro

Java、cc 、c#、python

http://avro.apache.org

kyro

java

https://github.com/EsotericSoftware/kryo

msgback

几乎所有主流语言

https://msgpack.org/

thrift

几乎所有主流语言

http://thrift.apache.org/

JBoss Marshlling

java

http://jbossmarshalling.jboss.org/

提示：xml、json也属于序列化框架的范畴，上面的表格中并没有列出。

一些网络通信的RPC框架通常会支持多种序列化方式，例如dubbo支持hessian、json、kyro、fst等。在支持多种序列化框架的情况下，在协议中通常需要有一个字段来表示序列化的类型，例如，我们可以将上述变长协议的格式改造为：

代码语言：javascript复制
 -------- ------------- ------------ | Length |  serializer |   Content  | -------- ------------- ------------

这里使用1个字节表示Serializer的值，使用不同的值代表不同的框架。

  • 发送方，选择好序列化框架后编码后，需要指定Serializer字段的值。
  • 接收方，在解码时，根据Serializer的值选择对应的框架进行反序列化；

3.5 压缩

通常，为了节省网络开销，在网络通信时，可以考虑对数据进行压缩。常见的压缩算法有lz4、snappy、gzip等。在选择压缩算法时，我们主要考虑压缩比以及解压缩的效率。

我们可以在网络通信协议中，添加一个compress字段，表示采用的压缩算法：

代码语言：javascript复制
 -------- ----------- ------------ ------------ | Length | serializer|  compress  |   Content  | -------- ----------- ------------ ------------

通常，我们没有必要使用一个字节，来表示采用的压缩算法，1个字节可以标识256种可能情况，而常用压缩算法也就那么几种，因此通常只需要使用2~3个bit来表示采用的压缩算法即可。

另外，由于数据量比较小的时候，压缩比并不会太高，没有必要对所有发送的数据都进行压缩，只有再超过一定大小的情况下，才考虑进行压缩。如rocketmq，producer在发送消息时，默认消息大小超过4k，才会进行压缩。因此，compress字段，应该有一个值，表示没有使用任何压缩算法，例如使用0。

3.6 查错校验码

一些通信协议传输的数据中，还包含了查错校验码。典型的算法如CRC32、Adler32等。java对这两种校验方式都提供了支持，java.util.zip.Adler32、java.util.zip.CRC32。

代码语言：javascript复制
 -------- ----------- ------------ ------------ --------- | Length | serializer|  compress  |   Content  |  CRC32  | -------- ----------- ------------ ------------ ---------

这里并不对CRC32、Adler32进行详细说明，主要是考虑，为什么需要进行校验？

有人说是因为考虑到安全，这个理由似乎并不充分，因为我们已经有了TLS层的加密，CRC32、Adler32的作用不应该是为了考虑安全。

一位同事的观点，我非常赞同：二进制数据在传输的过程中，可能因为电磁干扰，导致一个高电平变成低电平，或者低电平变成高电平。这种情况下，数据相当于受到了污染，此时通过CRC32等校验值，则可以验证数据的正确性。

另外，通常校验机制在通信协议中，是可选的配置的，并不需要强制开启，其虽然可以保证数据的正确，但是计算校验值也会带来一些额外的性能损失。如Mysql主从同步，虽然高版本默认开启CRC32校验，但是也可以通过配置禁用。

3.7 小结

本节通过一些基本的案例，讲解了在TCP编程中，如何通过协议来解决粘包、拆包问题。在实际开发中，通常我们的协议会更加复杂。例如，一些RPC框架，会在协议中添加唯一标识一个请求的ID，一些支持双向通信的RPC框架，如sofa-bolt，还会添加一个方向信息等。当然，所谓复杂，无非是在协议中添加了某个字段用于某个用途，只要弄清楚这些字段的含义，也就不复杂了。

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