高性能IO框架Netty

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高性能IO框架Netty四 - 解决粘包/半包问题

转x33g5p2x  于2021-12-21 转载在 其他  
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前言：demo演示

首先，我们来看个demo

1、EchoServer

/**
 * 作者：DarkKing
 * 类说明：
 */
public class EchoServer {

    private final int port;

    public EchoServer(int port) {
        this.port = port;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        EchoServer echoServer = new EchoServer(9999);
        System.out.println("服务器即将启动");
        echoServer.start();
        System.out.println("服务器关闭");
    }

    public void start() throws InterruptedException {
        final EchoServerHandler serverHandler = new EchoServerHandler();
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();/*线程组*/
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();/*服务端启动必须*/
            b.group(group)/*将线程组传入*/
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)/*指定使用NIO进行网络传输*/
                    .localAddress(new InetSocketAddress(port))/*指定服务器监听端口*/
                    /*服务端每接收到一个连接请求，就会新启一个socket通信，也就是channel，
                    所以下面这段代码的作用就是为这个子channel增加handle*/
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            ch.pipeline().addLast(serverHandler);/*添加到该子channel的pipeline的尾部*/
                        }
                    });
            ChannelFuture f = b.bind().sync();/*异步绑定到服务器，sync()会阻塞直到完成*/
            System.out.println("服务器启动完成，等待客户端的连接和数据.....");
            f.channel().closeFuture().sync();/*阻塞直到服务器的channel关闭*/
        } finally {
            group.shutdownGracefully().sync();/*优雅关闭线程组*/
        }
    }

}

2、EchoServerHandler

/**
 * 作者：DarkKing
 * 类说明：自己的业务处理
 */
@ChannelHandler.Sharable
public class EchoServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    private AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

    /*** 服务端读取到网络数据后的处理*/
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        ByteBuf in = (ByteBuf) msg;
        String request = in.toString(CharsetUtil.UTF_8);
        System.out.println("Server Accept[" + request
                + "] and the counter is:" + counter.incrementAndGet());
        String resp = "Hello," + request + ". Welcome to Netty World!"
                + System.getProperty("line.separator");
        ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer(resp.getBytes()));

    }

    /*** 发生异常后的处理*/
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }
}

使用netty实现了个服务端，当接收到客户端的消息是，打印出来请求的内容，并统计接收请求的次数。

3、EchoClient

/**
 * 作者：DarkKing
 * 类说明：
 */
public class EchoClient {

    private final int port;
    private final String host;

    public EchoClient(int port, String host) {
        this.port = port;
        this.host = host;
    }

    public void start() throws InterruptedException {
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();/*线程组*/
        try {
            final Bootstrap b = new Bootstrap();
            /*客户端启动必须*/
            b.group(group)/*将线程组传入*/
                    .channel(NioSocketChannel.class)/*指定使用NIO进行网络传输*/
                    .remoteAddress(new InetSocketAddress(host, port))/*配置要连接服务器的ip地址和端口*/
                    .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            ch.pipeline().addLast(new EchoClientHandler());
                        }
                    });
            ChannelFuture f = b.connect().sync();
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            group.shutdownGracefully().sync();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new EchoClient(9999, "127.0.0.1").start();
    }
}

4、EchoClientHandler

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;
import io.netty.util.CharsetUtil;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * 作者：DarkKing
 * 类说明：
 */
public class EchoClientHandler extends SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf> {

    private AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

    /*** 客户端读取到网络数据后的处理*/
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf msg) throws Exception {
        System.out.println("client Accept[" + msg.toString(CharsetUtil.UTF_8)
                + "] and the counter is:" + counter.incrementAndGet());
    }

    /*** 客户端被通知channel活跃后，做事*/
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ByteBuf msg = null;
        String request = "test1,test2,test3,test4"
                + System.getProperty("line.separator");
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            msg = Unpooled.buffer(request.length());
            msg.writeBytes(request.getBytes());
            ctx.writeAndFlush(msg);
        }
    }

    /*** 发生异常后的处理*/
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }
}

使用netty实现了个客户端，链接建立完成之后向服务端发送消息。循环100次。并且打印服务端返回的消息。并统计返回次数。

执行结果

服务端输出

客户端打印

结果发现，我们客户单发送了100次数据，但实际上只接收了30次。而且每次消息发送的是test1,test2,test3,test4,test5，但实际接受的却有很多相链接起来的。这是为什么呢？为什么不是100次test1,test2,test3,test4,test5呢？这就是TCP传输的粘包/半包问题。

一、什么是TCP粘包半包？

假设客户端分别发送了两个数据包D1和D2给服务端，由于服务端一次读取到的字节数是不确定的，故可能存在以下4种情况。

  1. 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；
  2. 服务端一次接收到了两个数据包，D1和D2粘合在一起，被称为TCP粘包；
  3. 服务端分两次读取到了两个数据包，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，这被称为TCP拆包；
  4. 服务端分两次读取到了两个数据包，第一次读取到了D1包的部分内容D1_1，第二次读取到了D1包的剩余内容D1_2和D2包的整包。

如果此时服务端TCP接收滑窗非常小，而数据包D1和D2比较大，很有可能会发生第五种可能，即服务端分多次才能将D1和D2包接收完全，期间发生多次拆包。

二、TCP粘包/半包发生的原因

由于TCP协议本身的机制（面向连接的可靠地协议-三次握手机制）客户端与服务器会维持一个连接（Channel），数据在连接不断开的情况下，可以持续不断地将多个数据包发往服务器，但是如果发送的网络数据包太小，那么他本身会启用Nagle算法（可配置是否启用）对较小的数据包进行合并（基于此，TCP的网络延迟要UDP的高些）然后再发送（超时或者包大小足够）。那么这样的话，服务器在接收到消息（数据流）的时候就无法区分哪些数据包是客户端自己分开发送的，这样产生了粘包；服务器在接收到数据库后，放到缓冲区中，如果消息没有被及时从缓存区取走，下次在取数据的时候可能就会出现一次取出多个数据包的情况，造成粘包现象

UDP：本身作为无连接的不可靠的传输协议（适合频繁发送较小的数据包），他不会对数据包进行合并发送（也就没有Nagle算法之说了），他直接是一端发送什么数据，直接就发出去了，既然他不会对数据合并，每一个数据包都是完整的（数据+UDP头+IP头等等发一次数据封装一次）也就没有粘包一说了。

分包产生的原因就简单的多：可能是IP分片传输导致的，也可能是传输过程中丢失部分包导致出现的半包，还有可能就是一个包可能被分成了两次传输，在取数据的时候，先取到了一部分（还可能与接收的缓冲区大小有关系），总之就是一个数据包被分成了多次接收。

更具体的原因有三个，分别如下。

  1. 应用程序写入数据的字节大小大于套接字发送缓冲区的大小
  2. 进行MSS大小的TCP分段。MSS是最大报文段长度的缩写。MSS是TCP报文段中的数据字段的最大长度。数据字段加上TCP首部才等于整个的TCP报文段。所以MSS并不是TCP报文段的最大长度，而是：MSS=TCP报文段长度-TCP首部长
  3. 以太网的payload大于MTU进行IP分片。MTU指：一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小。如果IP层有一个数据包要传，而且数据的长度比链路层的MTU大，那么IP层就会进行分片，把数据包分成托干片，让每一片都不超过MTU。注意，IP分片可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上。

三、解决粘包半包问题

由于底层的TCP无法理解上层的业务数据，所以在底层是无法保证数据包不被拆分和重组的，这个问题只能通过上层的应用协议栈设计来解决，根据业界的主流协议的解决方案，可以归纳如下。

1、在包尾增加分割符

在包尾增加分割符，比如回车换行符进行分割，例如FTP协议；

demo如下:

**LineBaseEchoServer **

/**
 * 作者：DarkKing
 * 类说明：
 */
public class LineBaseEchoServer {

    public static final int PORT = 9998;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        LineBaseEchoServer lineBaseEchoServer = new LineBaseEchoServer();
        System.out.println("服务器即将启动");
        lineBaseEchoServer.start();
    }

    public void start() throws InterruptedException {
        final LineBaseServerHandler serverHandler = new LineBaseServerHandler();
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();/*线程组*/
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();/*服务端启动必须*/
            b.group(group)/*将线程组传入*/
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)/*指定使用NIO进行网络传输*/
                    .localAddress(new InetSocketAddress(PORT))/*指定服务器监听端口*/
                    /*服务端每接收到一个连接请求，就会新启一个socket通信，也就是channel，
                    所以下面这段代码的作用就是为这个子channel增加handle*/
                    .childHandler(new ChannelInitializerImp());
            ChannelFuture f = b.bind().sync();/*异步绑定到服务器，sync()会阻塞直到完成*/
            System.out.println("服务器启动完成，等待客户端的连接和数据.....");
            f.channel().closeFuture().sync();/*阻塞直到服务器的channel关闭*/
        } finally {
            group.shutdownGracefully().sync();/*优雅关闭线程组*/
        }
    }

    private static class ChannelInitializerImp extends ChannelInitializer<Channel> {

        @Override
        protected void initChannel(Channel ch) throws Exception {
            //添加换行解码器
            ch.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));
            ch.pipeline().addLast(new LineBaseServerHandler());
        }
    }

}

LineBaseEchoServer

/**
 * 作者：DarkKing
 * 类说明：
 */
public class LineBaseEchoServer {

    public static final int PORT = 9998;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        LineBaseEchoServer lineBaseEchoServer = new LineBaseEchoServer();
        System.out.println("服务器即将启动");
        lineBaseEchoServer.start();
    }

    public void start() throws InterruptedException {
        final LineBaseServerHandler serverHandler = new LineBaseServerHandler();
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();/*线程组*/
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();/*服务端启动必须*/
            b.group(group)/*将线程组传入*/
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)/*指定使用NIO进行网络传输*/
                    .localAddress(new InetSocketAddress(PORT))/*指定服务器监听端口*/
                    /*服务端每接收到一个连接请求，就会新启一个socket通信，也就是channel，
                    所以下面这段代码的作用就是为这个子channel增加handle*/
                    .childHandler(new ChannelInitializerImp());
            ChannelFuture f = b.bind().sync();/*异步绑定到服务器，sync()会阻塞直到完成*/
            System.out.println("服务器启动完成，等待客户端的连接和数据.....");
            f.channel().closeFuture().sync();/*阻塞直到服务器的channel关闭*/
        } finally {
            group.shutdownGracefully().sync();/*优雅关闭线程组*/
        }
    }

    private static class ChannelInitializerImp extends ChannelInitializer<Channel> {

        @Override
        protected void initChannel(Channel ch) throws Exception {
            //添加换行解码器
            ch.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));
            ch.pipeline().addLast(new LineBaseServerHandler());
        }
    }

}

LineBaseEchoClient

/**
 * 作者：DarkKing
 */
public class LineBaseEchoClient {

    private final String host;

    public LineBaseEchoClient(String host) {
        this.host = host;
    }

    public void start() throws InterruptedException {
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();/*线程组*/
        try {
            final Bootstrap b = new Bootstrap();
            b.group(group)/*将线程组传入*/
                    .channel(NioSocketChannel.class)/*指定使用NIO进行网络传输*/
                    .remoteAddress(new InetSocketAddress(host, LineBaseEchoServer.PORT))/*配置要连接服务器的ip地址和端口*/
                    .handler(new ChannelInitializerImp());
            ChannelFuture f = b.connect().sync();
            System.out.println("已连接到服务器.....");
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            group.shutdownGracefully().sync();
        }
    }

    private static class ChannelInitializerImp extends ChannelInitializer<Channel> {

        @Override
        protected void initChannel(Channel ch) throws Exception {
            //回车符做了分割
            ch.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));
            ch.pipeline().addLast(new LineBaseClientHandler());
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new LineBaseEchoClient("127.0.0.1").start();
    }
}

LineBaseClientHandler

/**
 * 作者：DarkKing
 * 类说明：
 */
public class LineBaseClientHandler extends SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf> {

    private AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

    /*** 客户端读取到网络数据后的处理*/
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf msg) throws Exception {
        System.out.println("client Accept[" + msg.toString(CharsetUtil.UTF_8)
                + "] and the counter is:" + counter.incrementAndGet());
        ctx.close();
    }

    /*** 客户端被通知channel活跃后，做事*/
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ByteBuf msg = null;
        String request = "test1,test2,test3,test4,test5"
                + System.getProperty("line.separator");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread.sleep(500);
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":即将发送数据："
                    + request);
            msg = Unpooled.buffer(request.length());
            msg.writeBytes(request.getBytes());
            ctx.writeAndFlush(msg);
        }
    }

    /*** 发生异常后的处理*/
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }
}

执行效果

2、消息定长

例如每个报文的大小为固定长度200字节，如果不够，空位补空格；

服务端只需将服务端的ChannelInitializerImp 解码器new LineBasedFrameDecoder(1024)替换为new FixedLengthFrameDecoder( FixedLengthEchoClient.REQUEST.length()）即可。

private static class ChannelInitializerImp extends ChannelInitializer<Channel> {

        @Override
        protected void initChannel(Channel ch) throws Exception {
            //添加定长报文长度解码器，长度问请求的长度
            ch.pipeline().addLast(
                    new FixedLengthFrameDecoder(
                            FixedLengthEchoClient.REQUEST.length()));
            ch.pipeline().addLast(new FixedLengthServerHandler());
        }
    }

3、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（或者消息体长度）的字段，通常设计思路为消息头的第一个字段使用int32来表示消息的总长度。类似与第二条，只是我们按照头部的content-length长度进行定长解码。

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Javanettytcp粘包半包

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