Netty2：粘包/拆包问题与使用LineBasedFrameDecoder的解决方案

港控/mmm° 2023-07-18 14:06 65阅读 0赞

**什么是粘包、拆包**

粘包、拆包是Socket编程中最常遇见的一个问题，本文来研究一下Netty是如何解决粘包、拆包的，首先我们从什么是粘包、拆包开始说起：

TCP是个"流"协议，所谓流，就是没有界限的一串数据，TCP底层并不了解上层业务的具体含义，它会根据TCP缓冲区的实际情况进行包的划分，所以在业务上：
         * 一个完整的包可能会被TCP拆分为多个包进行发送（拆包）
         * 多个小的包也有可能被封装成一个大的包进行发送（粘包）

这就是所谓的TCP粘包与拆包

下图演示了粘包、拆包的场景：

![format_png][]

基本上有四种情况：

*  Data1、Data2都分开发送到了Server端，没有产生粘包与拆包的情况
 *  Data1、Data2数据粘在了一起，打成了一个大的包发送到了Server端，这种情况就是粘包
 *  Data1被分成Data1\_1与Data1\_2，Data1\_1先到服务端，Data1\_2与Data2再到服务端，这种情况就是拆包
 *  Data2被分成Data2\_1与Data2\_2，Data1与Data2\_1先到服务端，Data2\_2再到服务端，同上，这也是一种拆包的场景

**粘包、拆包产生的原因**

上面我们详细了解了TCP粘包与拆包，那么粘包与拆包为什么会发生呢，大致上有三种原因：

*  应用程序写入的字节大小大于Socket发送缓冲区大小
 *  进行MSS大小的TCP，MSS是最大报文段长度的缩写，是TCP报文段中的数据字段最大长度，MSS=TCP报文段长度-TCP首部长度
 *  以太网的Payload大于MTU，进行IP分片，MTU是最大传输单元的缩写，以太网的MTU为1500字节

**粘包、拆包解决策略**

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：

*  消息定长，例如每个报文的大小固定为200字节，如果不够空位补空格
 *  包尾增加回车换行符进行分割，例如FTP协议
 *  将消息分为消息头和消息体，消息头中包含表示长度的字段，通常涉及思路为消息头的第一个字段使用int32来表示消息的总长度
 *  更复杂的应用层协议

**未考虑TCP粘包导致功能异常演示**

基于Netty的第一篇文章[《Netty1：初识Netty》][Netty1_Netty]，TimeServer与TimeClient不变，简单修改一下TimeServerHandler与TimeClientHandler即可以模拟出TCP粘包的情况，首先修改TimeClientHandler：

1 public class TimeClientHandler extends ChannelHandlerAdapter {
     2 
     3     private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(TimeClientHandler.class);
     4     
     5     private int counter;
     6     
     7     private byte[] req;
     8     
     9     public TimeClientHandler() {
    10         req = ("QUERY TIME ORDER" + System.getProperty("line.separator")).getBytes();
    11     }
    12     
    13     @Override
    14     public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    15         ByteBuf message = null;
    16         for (int i = 0; i < 100; i++) {
    17             message = Unpooled.buffer(req.length);
    18             message.writeBytes(req);
    19             ctx.writeAndFlush(message);
    20         }
    21     }
    22     
    23     @Override
    24     public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
    25         ByteBuf buf = (ByteBuf)msg;
    26         byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];
    27         buf.readBytes(req);
    28         
    29         String body = new String(req, "UTF-8");
    30         System.out.println("Now is:" + body + "; the counter is:" + ++counter);
    31     }
    32     
    33     @Override
    34     public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
    35         LOGGER.warn("Unexcepted exception from downstream:" + cause.getMessage());
    36         ctx.close();
    37     }
    38     
    39 }

TimeClientHandler的变化是，之前是发送一次"QUERY TIME ORDER"到服务端，现在变为发送100次**"QUERY TIME ORDER"+标准换行符**到服务端，并在客户端增加一个计数器，记录从服务端收到的响应次数。

服务单TimeServerHandler也简单改造一下，增加一个计数器记录一下从客户端收到的请求次数：

>     1 public class TimeServerHandler extends ChannelHandlerAdapter {
>      2 
>      3     private int counter;
>      4     
>      5     @Override
>      6     public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
>      7         ByteBuf buf = (ByteBuf)msg;
>      8         byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];
>      9         buf.readBytes(req);
>     10         
>     11         String body = new String(req, "UTF-8").substring(0, req.length - System.getProperty("line.separator").length());
>     12         System.out.println("The time server receive order:" + body + "; the counter is:" + ++counter);
>     13         
>     14         String currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body) ? new Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD ORDER";
>     15         currentTime = currentTime + System.getProperty("line.separator");
>     16         
>     17         ByteBuf resp = Unpooled.copiedBuffer(currentTime.getBytes());
>     18         ctx.writeAndFlush(resp);
>     19     }
>     20     
>     21     @Override
>     22     public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
>     23         ctx.close();
>     24     }
>     25     
>     26 }

按照设计，服务端应该会打印出100次"Time time server..."，客户端应当会打印出100次"Now is ..."，因为客户端向服务端发送了100次"QUERY TIME ORDER"的请求，实际运行起来呢？先看一下服务端的打印：

>     The time server receive order:QUERY TIME ORDER
>     QUERY TIME ORDER
>     ...省略，这里有55个
>     QUERY TIME ORD; the counter is:1
>     The time server receive order:
>     ...省略，这里有42个
>     QUERY TIME ORDER; the counter is:2

counter最终等于2，表明服务端实际上只收到了2条请求，很显然这里发生了粘包，即多个客户端的包合成了一个发送到了服务端，服务端每收到一个包的大小为1024字节。

接着看一下客户端的打印：

>     Now is:BAD ORDER
>     BAD ORDER
>     ; the counter is:1

因为服务端只收到了2条消息，因此客户端也只会收到2条消息，因为服务端两次收到的内容都不满足"QUERY TIME ORDER"，因此返回"BAD ORDER"到客户端，但是为什么客户端的counter=1呢？回过头来仔细想想，因此服务端发送给客户端的消息也发生了粘包。因此这里简单得出一个结论：**粘包/拆包不仅仅发生在客户端给服务端发送数据，服务端回数据给客户端同样有可能发生粘包/拆包**。

上面的例子演示了粘包，拆包其实一样的，既然可以知道服务端每收到一个包的大小为1024字节，那客户端每次发送一个大于1024字节的数据给服务端就可以了，有兴趣的朋友可以自己尝试一下。

**利用LineBasedFrameDecoder解决粘包问题**

为了解决TCP粘包/拆包导致的半包读写问题，Netty默认提供了多种编解码器用于处理半包，针对上面发送**"QUERY TIME ORDER"+标准换行符**的这种场景，简单使用LineBasedFrameDecoder就可以解决上面发生的粘包问题。

首先对TimeServer进行改造，加入LineBasedFrameDecoder与StringDecoder：

>     1 public class TimeServer {
>      2 
>      3     public void bind(int port) throws Exception {
>      4         // NIO线程组
>      5         EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
>      6         EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
>      7         
>      8         try {
>      9             ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
>     10             b.group(bossGroup, workerGroup)
>     11                 .channel(NioServerSocketChannel.class)
>     12                 .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)
>     13                 .childHandler(new ChildChannelHandler());
>     14             
>     15             // 绑定端口，同步等待成功
>     16             ChannelFuture f = b.bind(port).sync();
>     17             // 等待服务端监听端口关闭
>     18             f.channel().closeFuture().sync();
>     19         } finally {
>     20             // 优雅退出，释放线程池资源
>     21             bossGroup.shutdownGracefully();
>     22             workerGroup.shutdownGracefully();
>     23         }
>     24     }
>     25     
>     26     private class ChildChannelHandler extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
>     27         @Override
>     28         protected void initChannel(SocketChannel arg0) throws Exception {
>     29             arg0.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));
>     30             arg0.pipeline().addLast(new StringDecoder());
>     31             arg0.pipeline().addLast(new TimeServerHandler());
>     32         }
>     33     }
>     34     
>     35 }

改造点就在29行、30行两行，加入了LineBasedFrameDecoder与StringDecoder，同时TimeServerHandler也需要相应改造：

>     1 public class TimeServerHandler extends ChannelHandlerAdapter {
>      2 
>      3     private int counter;
>      4     
>      5     @Override
>      6     public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
>      7         String body = (String)msg;
>      8         System.out.println("The time server receive order:" + body + "; the counter is:" + ++counter);
>      9         
>     10         String currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body) ? new Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD ORDER";
>     11         currentTime = currentTime + System.getProperty("line.separator");
>     12         
>     13         ByteBuf resp = Unpooled.copiedBuffer(currentTime.getBytes());
>     14         ctx.writeAndFlush(resp);
>     15     }
>     16     
>     17     @Override
>     18     public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
>     19         ctx.close();
>     20     }
>     21     
>     22 }

改造点在第7行，由于使用了StringDecoder，因此channelRead的第二个参数msg不再是ByteBuf类型而是String类型，因此这里只需要做一次String强转即可。

TimeClient改造类似：

>     1 public class TimeClient {
>      2 
>      3     public void connect(int port, String host) throws Exception {
>      4         EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
>      5         try {
>      6             Bootstrap b = new Bootstrap();
>      7             
>      8             b.group(group)
>      9                 .channel(NioSocketChannel.class)
>     10                 .option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
>     11                 .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
>     12                     protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
>     13                         ch.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));
>     14                         ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());
>     15                         ch.pipeline().addLast(new TimeClientHandler());
>     16                     };
>     17                 });
>     18             
>     19             // 发起异步连接操作
>     20             ChannelFuture f = b.connect(host, port).sync();
>     21             // 等待客户端连接关闭
>     22             f.channel().closeFuture().sync();
>     23         } finally {
>     24             // 优雅退出，释放NIO线程组
>     25             group.shutdownGracefully();
>     26         }
>     27     }
>     28     
>     29 }
> 
>

第13行、第14行这两行加入了LineBasedFrameDecoder与StringDecoder，TimeClientHandler相应改造：

>     1 public class TimeClientHandler extends ChannelHandlerAdapter {
>      2 
>      3     private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(TimeClientHandler.class);
>      4     
>      5     private int counter;
>      6     
>      7     private byte[] req;
>      8     
>      9     public TimeClientHandler() {
>     10         req = ("QUERY TIME ORDER" + System.getProperty("line.separator")).getBytes();
>     11     }
>     12     
>     13     @Override
>     14     public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
>     15         ByteBuf message = null;
>     16         for (int i = 0; i < 100; i++) {
>     17             message = Unpooled.buffer(req.length);
>     18             message.writeBytes(req);
>     19             ctx.writeAndFlush(message);
>     20         }
>     21     }
>     22     
>     23     @Override
>     24     public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
>     25         String body = (String)msg;
>     26         System.out.println("Now is:" + body + "; the counter is:" + ++counter);
>     27     }
>     28     
>     29     @Override
>     30     public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
>     31         LOGGER.warn("Unexcepted exception from downstream:" + cause.getMessage());
>     32         ctx.close();
>     33     }
>     34     
>     35 }

第25行这里使用String进行强转即可。接下来看一下服务端的打印：

>     The time server receive order:QUERY TIME ORDER; the counter is:1
>     The time server receive order:QUERY TIME ORDER; the counter is:2
>     The time server receive order:QUERY TIME ORDER; the counter is:3
>     The time server receive order:QUERY TIME ORDER; the counter is:4
>     The time server receive order:QUERY TIME ORDER; the counter is:5
>     ...
>     The time server receive order:QUERY TIME ORDER; the counter is:98
>     The time server receive order:QUERY TIME ORDER; the counter is:99
>     The time server receive order:QUERY TIME ORDER; the counter is:100

看到服务端正常counter从1打印到了100，即收到了100个完整的客户端请求，客户端的打印如下：

>     Now is:Sat Apr 07 16:00:51 CST 2018; the counter is:1
>     Now is:Sat Apr 07 16:00:51 CST 2018; the counter is:2
>     Now is:Sat Apr 07 16:00:51 CST 2018; the counter is:3
>     Now is:Sat Apr 07 16:00:51 CST 2018; the counter is:4
>     Now is:Sat Apr 07 16:00:51 CST 2018; the counter is:5
>     ...
>     Now is:Sat Apr 07 16:00:51 CST 2018; the counter is:98
>     Now is:Sat Apr 07 16:00:51 CST 2018; the counter is:99
>     Now is:Sat Apr 07 16:00:51 CST 2018; the counter is:100

看到同样的客户端也正常counter从1打印到了100，即收到了100个完整的服务端响应，至此，使用LineBasedFrameDecoder与StringDecoder解决了上述粘包问题。

整个LineBasedFrameDecoder的原理也比较简单：

>     LineBasedFrameDecoder依次遍历ByteBuf中的可读字节，判断是否有"\n"或者"\r\n"，如果有就以此位置为结束位置，从可读索引到结束位置区间的字节就组成了一行，它是以换行符为结束标志的解码器，支持携带结束符或者不携带结束符两种解码方式，同时支持配置单行的最大长度，如果连续读到最大长度后仍然没有发现换行符，就会抛出异常，同时忽略掉之前读到的异常码流。
>     
>     StringDecoder的功能非常简单，就是将接收到的对象转换为字符串，然后继续调用后面的Handler
>     
>     LineBasedFrameDecoder+StringDecoder就是按行切换的文本解码器，被设计用于支持TCP的粘包和拆包

**原文地址http://www.cnblogs.com/xrq730/p/5260294.html，转载请注明出处**

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另外补充两个**自己**项目种实际使用到的示例；

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMyNDQ3MzIx_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

文中GBDelimiterMsgDecoder:是自定义的一个类，后续把放到githup上再加地址

[format_png]: /images/20230528/97ef7425a8094855aaac2dfef9b863bd.png
[Netty1_Netty]: http://www.cnblogs.com/xrq730/p/8723728.html
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMyNDQ3MzIx_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230528/938dbb0e8e4e46a6804c7565616d533e.png