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Netty 如何解决粘包以及拆包问题

发布于: 3 小时前
Netty如何解决粘包以及拆包问题

引言

客户端与服务端进行TCP网络通信时,在发送以及读取数据时可能会出现粘包以及拆包问题,那么作为高性能网络框架的Netty是如何解决粘包以及拆包问题的呢?我们一起来探讨下这个问题。


什么是粘包、拆包?

在搞清楚 Netty 如何解决粘包以及拆包问题之前,我们得先搞清楚到底什么是粘包、拆包。我们都知道 TCP 是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。 这种基于流的协议是没有明显边界的,TCP 这种底层协议是不会理解上层的业务业务含义的,因此在通信过程中,发送数据流的时候,有可能出现一份完整的数据,被 TCP 拆分为多个数据包进行发送,当然也有可能将多个数据包合并为一个数据包进行发送。从而产生了拆包以及粘包的问题。


1、粘包

业务侧理想的是分别发送三个数据包到服务端,服务端根据不同的数据包进行对应的业务处理。但是实际事与愿违,现实很骨感,实际上服务端接收到的是一个数据包,而且是三个数据包揉在一起的。这种现象就是TCP粘包。


2、拆包

这种情况下,服务端理想是要接收一个数据包,但是实际收到了拆解后的两个数据包。这种场景就成为拆包。



出现粘包、拆包现象的根本原因


1、客户端要发送的数据小于 TCP 发送缓冲区的大小,TCP 为了提升效率,将多个写入缓冲区的数据包一次发送出去,多个数据包粘在一起,造成粘包;

2、服务端的应用层没有及时处理接收缓冲区中的数据,再次进行读取时出现粘包问题;

3、数据发送过快,数据包堆积导致缓冲区积压多个数据后才一次性发送出去;

4、拆包一般由于一次发送的数据包太大,超过 MSS 的大小,那么这个数据包就会被拆成多个 TCP 报文分开进行传输。

根本原因:TCP 基于字节流的协议,消息无边界。

常见解决办法

通过上文我们知道,底层的的TCP协议负责数据传输,它是无法理解上层的业务数据的具体语义的,所以在底层我们没有办法进行解决。那么我们只能通过上层的协议设计来解决粘包、拆包问题,主要有以下几种方法:


1、消息定长

可以考虑客户端将每个数据包设定为固定长度(不够的可以通过补特定字符进行填充)的流数据,那么接收端在接收缓冲区中读取到约定固定长度的数据流之后,服务端就可以根据约定的数据长度进行数据包的解析,区分不同的数据包。



2、明确消息边界

既然流式协议无法区分消息边界,那我们就约定好消息边界。服务端接收到数据流之后,按照之前的约定通过消息边界进行消息数据分离。比如在数据包尾增加\n 进行分割。



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,后面跟上对应的消息内容。服务端读取数据后,先解析出消息头中的内容长度大小,再将后面的内容一把读取出来。


Netty 解决粘包、拆包的办法

Netty 作为一款高性能的网络框架,不仅仅是它对 NIO 进行了深度封装,其在客户端和服务端之间的数据传输也进行了很好的处理。其中粘包、拆包的办法就是它的用武之地。Netty 通过预先指定的数据流编解码器,按照预先约定好的规则进行数据的解析,即可解决对应的粘包、拆包问题。


下面我们一起看下 Netty 为我们提供了哪些编解码器吧。

Netty 中的拆包器大致如下:


1.对应定长法的解码器 FixedLengthFrameDecoder

Netty 在消息长度固定的场景下,对定长法进行了封装。其中 FixedLengthFrameDecoder 便是 Netty 中的固定长度解码器,它的主要作用就是对固定长度的流数据进行解码。定长法中只有解码器,没有编码器。对于编码器来说,Netty 懒得实现了,由用户自己实现,只需要在发送数据时将不足的长度补齐即可,不需要其他额外的操作。解码器使用非常简单,只需要在 childHandler 中添加一个解码器就可以了。

public class EchoServer {
public void bind(int port) throws InterruptedException { EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(); EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); try { ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap(); bootstrap.group(bossGroup, workerGroup) .channel(NioServerSocketChannel.class) .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 200) .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO)) .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { @Override protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { // 将FixedLengthFrameDecoder添加到pipeline中,定长20 ch.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(20)); ch.pipeline().addLast(new StringDecoder()); ch.pipeline().addLast(new EchoServerHandler()); } });
ChannelFuture future = bootstrap.bind(port).sync(); future.channel().closeFuture().sync(); } finally { bossGroup.shutdownGracefully(); workerGroup.shutdownGracefully(); } }
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { new EchoServer().bind(8080); }}
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2.对应明确消息边界的分隔符拆包器 DelimiterBasedFrameDecoder


通过 LineBasedFrameDecoder 可以实现自动处理以指定分割符为字节流的消息的解码。 LineBasedFrameDecoder 则是实现以\n 以及\r\n 为分隔符的数据流解码。

public class EchoServer {
public void bind(int port) throws InterruptedException { EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(); EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); try { ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap(); bootstrap.group(bossGroup, workerGroup) .channel(NioServerSocketChannel.class) .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 200) .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO)) .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { @Override protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { // 将FixedLengthFrameDecoder添加到pipeline中,定长20 ByteBuf delimiter = Unpooled.copiedBuffer(“%_%”.getBytes()); ch.pipeline().addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(1024, delimiter)); ch.pipeline().addLast(new StringDecoder()); ch.pipeline().addLast(new EchoServerHandler()); } });
ChannelFuture future = bootstrap.bind(port).sync(); future.channel().closeFuture().sync(); } finally { bossGroup.shutdownGracefully(); workerGroup.shutdownGracefully(); } }
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { new EchoServer().bind(8080); }}
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3.对应消息头消息体的基于数据包长度的解码器 LengthFieldBasedFrameDecoder


LengthFieldBasedFrameDecoder 与 LengthFieldPrepender 这两个需要配合起来使用。实际上就是在编码的时候需要在数据包头部添加数据包长度的字段,具体的数据紧跟在数据包后面。LengthFieldBasedFrameDecoder 便会按照参数指定的数据长度偏移量对接收到的数据包进行解码,进而得到指定的消息体数据。但是 LengthFieldPrepender 则会在响应的数据前面添加指定的字节数据,这个字节数据中保存了当前消息体的整体字节数据长度。


4、自定义编解码器

一般来说,上面几种方式可以解决大部分粘包以及拆包问题,但是如果涉及更复杂的编解码,开发者可以自行进行定义实现。

(1)编码器

public abstract class CustomDecoder extends ChannelInboundHandlerAdapter {    protected abstract void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out)         throws Exception;}
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(2)解码器

public abstract class CustomEncoder<I> extends ChannelOutboundHandlerAdapter {    protected abstract void encode(ChannelHandlerContext ctx, I msg, ByteBuf out)         throws Exception;}
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真正的大师永远怀着一颗学徒的心 2018.09.18 加入

一线大厂高级开发工程师,专注Java后端以及分布式架构,在通往CTO的道路上不断前行

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