面試題：聊聊TCP的粘包、拆包以及解決方案

TCP的粘包和拆包問(wèn)題往往出現(xiàn)在基于TCP協(xié)議的通訊中，比如RPC框架、Netty等。如果你的簡(jiǎn)歷中寫(xiě)了類(lèi)似的技術(shù)或者你所面試的公司使用了相關(guān)的技術(shù)，被問(wèn)到該面試的幾率會(huì)非常高。

今天這篇文章就帶大家詳細(xì)了解一下TCP的粘包和拆包以及解決方案。

什么是粘包？

在學(xué)習(xí)粘包之前，先糾正一下讀音，很多視頻教程中將“粘”讀作“nián”。經(jīng)過(guò)調(diào)研，個(gè)人更傾向于讀“zhān bāo”。

如果在百度百科上搜索“粘包”，對(duì)應(yīng)的讀音便是“zhān bāo”，語(yǔ)義解釋為：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)術(shù)語(yǔ)。指TCP協(xié)議中，發(fā)送方發(fā)送的若干包數(shù)據(jù)到接收方接收時(shí)粘成一包，從接收緩沖區(qū)看，后一包數(shù)據(jù)的頭緊接著前一包數(shù)據(jù)的尾。

TCP是面向字節(jié)流的協(xié)議，就是沒(méi)有界限的一串?dāng)?shù)據(jù)，本沒(méi)有“包”的概念，“粘包”和“拆包”一說(shuō)是為了有助于形象地理解這兩種現(xiàn)象。

為什么UDP沒(méi)有粘包？

粘包拆包問(wèn)題在數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及傳輸層都有可能發(fā)生。日常的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開(kāi)發(fā)大都在傳輸層進(jìn)行，由于UDP有消息保護(hù)邊界，不會(huì)發(fā)生粘包拆包問(wèn)題，因此粘包拆包問(wèn)題只發(fā)生在TCP協(xié)議中。

粘包拆包發(fā)生場(chǎng)景

因?yàn)門(mén)CP是面向流，沒(méi)有邊界，而操作系統(tǒng)在發(fā)送TCP數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)通過(guò)緩沖區(qū)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，例如緩沖區(qū)為1024個(gè)字節(jié)大小。

如果一次請(qǐng)求發(fā)送的數(shù)據(jù)量比較小，沒(méi)達(dá)到緩沖區(qū)大小，TCP則會(huì)將多個(gè)請(qǐng)求合并為同一個(gè)請(qǐng)求進(jìn)行發(fā)送，這就形成了粘包問(wèn)題。

如果一次請(qǐng)求發(fā)送的數(shù)據(jù)量比較大，超過(guò)了緩沖區(qū)大小，TCP就會(huì)將其拆分為多次發(fā)送，這就是拆包。

關(guān)于粘包和拆包可以參考下圖的幾種情況：

上圖中演示了以下幾種情況：

• 正常的理想情況，兩個(gè)包恰好滿(mǎn)足TCP緩沖區(qū)的大小或達(dá)到TCP等待時(shí)長(zhǎng)，分別發(fā)送兩個(gè)包；
• 粘包：兩個(gè)包較小，間隔時(shí)間短，發(fā)生粘包，合并成一個(gè)包發(fā)送；
• 拆包：一個(gè)包過(guò)大，超過(guò)緩存區(qū)大小，拆分成兩個(gè)或多個(gè)包發(fā)送；
• 拆包和粘包：Packet1過(guò)大，進(jìn)行了拆包處理，而拆出去的一部分又與Packet2進(jìn)行粘包處理。

常見(jiàn)的解決方案

對(duì)于粘包和拆包問(wèn)題，常見(jiàn)的解決方案有四種：

• 發(fā)送端將每個(gè)包都封裝成固定的長(zhǎng)度，比如100字節(jié)大小。如果不足100字節(jié)可通過(guò)補(bǔ)0或空等進(jìn)行填充到指定長(zhǎng)度；
• 發(fā)送端在每個(gè)包的末尾使用固定的分隔符，例如\r\n。如果發(fā)生拆包需等待多個(gè)包發(fā)送過(guò)來(lái)之后再找到其中的\r\n進(jìn)行合并；例如，F(xiàn)TP協(xié)議；
• 將消息分為頭部和消息體，頭部中保存整個(gè)消息的長(zhǎng)度，只有讀取到足夠長(zhǎng)度的消息之后才算是讀到了一個(gè)完整的消息；
• 通過(guò)自定義協(xié)議進(jìn)行粘包和拆包的處理。

Netty對(duì)粘包和拆包問(wèn)題的處理

Netty對(duì)解決粘包和拆包的方案做了抽象，提供了一些解碼器（Decoder）來(lái)解決粘包和拆包的問(wèn)題。如：

• LineBasedFrameDecoder：以行為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)包的解碼；
• DelimiterBasedFrameDecoder：以特殊的符號(hào)作為分隔來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的解碼；
• FixedLengthFrameDecoder：以固定長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)包的解碼；
• LenghtFieldBasedFrameDecode：適用于消息頭包含消息長(zhǎng)度的協(xié)議（最常用）；

基于Netty進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)的程序，可以直接使用這些Decoder來(lái)完成數(shù)據(jù)包的解碼。對(duì)于高并發(fā)、大流量的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，每個(gè)數(shù)據(jù)包都不應(yīng)該傳輸多余的數(shù)據(jù)（所以補(bǔ)齊的方式不可取），LenghtFieldBasedFrameDecode更適合這樣的場(chǎng)景。

小結(jié)

TCP協(xié)議粘包拆包問(wèn)題是因?yàn)門(mén)CP協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸是基于字節(jié)流的，它不包含消息、數(shù)據(jù)包等概念，需要應(yīng)用層協(xié)議自己設(shè)計(jì)消息的邊界，即消息幀（Message Framing）。如果應(yīng)用層協(xié)議沒(méi)有使用基于長(zhǎng)度或者基于終結(jié)符息邊界等方式進(jìn)行處理，則會(huì)導(dǎo)致多個(gè)消息的粘包和拆包。

雖然很多框架中都有現(xiàn)成的解決方案，比如Netty，但底層的原理我們還是要清楚的，而且還要知道有這么回事，才能更好的結(jié)合場(chǎng)景進(jìn)行使用。