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<title>06 粘包拆包问题：如何获取一个完整的网络包？.md.html</title>
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<span>技术文章摘抄</span>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/00 学好 Netty，是你修炼 Java 内功的必经之路.md.html">00 学好 Netty，是你修炼 Java 内功的必经之路.md.html</a>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/01 初识 Netty：为什么 Netty 这么流行？.md.html">01 初识 Netty：为什么 Netty 这么流行？.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/02 纵览全局：把握 Netty 整体架构脉络.md.html">02 纵览全局：把握 Netty 整体架构脉络.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/03 引导器作用：客户端和服务端启动都要做些什么？.md.html">03 引导器作用：客户端和服务端启动都要做些什么？.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/04 事件调度层：为什么 EventLoop 是 Netty 的精髓？.md.html">04 事件调度层：为什么 EventLoop 是 Netty 的精髓？.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/05 服务编排层：Pipeline 如何协调各类 Handler ？.md.html">05 服务编排层：Pipeline 如何协调各类 Handler ？.md.html</a>
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</li>
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<a class="current-tab" href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/06 粘包拆包问题：如何获取一个完整的网络包？.md.html">06 粘包拆包问题：如何获取一个完整的网络包？.md.html</a>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/07 接头暗语：如何利用 Netty 实现自定义协议通信？.md.html">07 接头暗语：如何利用 Netty 实现自定义协议通信？.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/08 开箱即用：Netty 支持哪些常用的解码器？.md.html">08 开箱即用：Netty 支持哪些常用的解码器？.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/09 数据传输：writeAndFlush 处理流程剖析.md.html">09 数据传输：writeAndFlush 处理流程剖析.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/10 双刃剑：合理管理 Netty 堆外内存.md.html">10 双刃剑：合理管理 Netty 堆外内存.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/11 另起炉灶：Netty 数据传输载体 ByteBuf 详解.md.html">11 另起炉灶：Netty 数据传输载体 ByteBuf 详解.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/12 他山之石：高性能内存分配器 jemalloc 基本原理.md.html">12 他山之石：高性能内存分配器 jemalloc 基本原理.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/13 举一反三：Netty 高性能内存管理设计（上）.md.html">13 举一反三：Netty 高性能内存管理设计（上）.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/14 举一反三：Netty 高性能内存管理设计（下）.md.html">14 举一反三：Netty 高性能内存管理设计（下）.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/15 轻量级对象回收站：Recycler 对象池技术解析.md.html">15 轻量级对象回收站：Recycler 对象池技术解析.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/16 IO 加速：与众不同的 Netty 零拷贝技术.md.html">16 IO 加速：与众不同的 Netty 零拷贝技术.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/17 源码篇：从 Linux 出发深入剖析服务端启动流程.md.html">17 源码篇：从 Linux 出发深入剖析服务端启动流程.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/18 源码篇：解密 Netty Reactor 线程模型.md.html">18 源码篇：解密 Netty Reactor 线程模型.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/19 源码篇：一个网络请求在 Netty 中的旅程.md.html">19 源码篇：一个网络请求在 Netty 中的旅程.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/20 技巧篇：Netty 的 FastThreadLocal 究竟比 ThreadLocal 快在哪儿？.md.html">20 技巧篇：Netty 的 FastThreadLocal 究竟比 ThreadLocal 快在哪儿？.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/21 技巧篇：延迟任务处理神器之时间轮 HashedWheelTimer.md.html">21 技巧篇：延迟任务处理神器之时间轮 HashedWheelTimer.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/22 技巧篇：高性能无锁队列 Mpsc Queue.md.html">22 技巧篇：高性能无锁队列 Mpsc Queue.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/23 架构设计：如何实现一个高性能分布式 RPC 框架.md.html">23 架构设计：如何实现一个高性能分布式 RPC 框架.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/24 服务发布与订阅：搭建生产者和消费者的基础框架.md.html">24 服务发布与订阅：搭建生产者和消费者的基础框架.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/25 远程通信：通信协议设计以及编解码的实现.md.html">25 远程通信：通信协议设计以及编解码的实现.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/26 服务治理：服务发现与负载均衡机制的实现.md.html">26 服务治理：服务发现与负载均衡机制的实现.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/27 动态代理：为用户屏蔽 RPC 调用的底层细节.md.html">27 动态代理：为用户屏蔽 RPC 调用的底层细节.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/28 实战总结：RPC 实战总结与进阶延伸.md.html">28 实战总结：RPC 实战总结与进阶延伸.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/29 编程思想：Netty 中应用了哪些设计模式？.md.html">29 编程思想：Netty 中应用了哪些设计模式？.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/30 实践总结：Netty 在项目开发中的一些最佳实践.md.html">30 实践总结：Netty 在项目开发中的一些最佳实践.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/31 结束语 技术成长之路：如何打造自己的技术体系.md.html">31 结束语 技术成长之路：如何打造自己的技术体系.md.html</a>
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</li>
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</ul>
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</div>
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</div>
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<div class="sidebar-toggle" onclick="sidebar_toggle()" onmouseover="add_inner()" onmouseleave="remove_inner()">
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<div class="sidebar-toggle-inner"></div>
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</div>
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<script>
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function add_inner() {
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let inner = document.querySelector('.sidebar-toggle-inner')
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}
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function remove_inner() {
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let inner = document.querySelector('.sidebar-toggle-inner')
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inner.classList.remove('show')
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}
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function sidebar_toggle() {
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let sidebar_toggle = document.querySelector('.sidebar-toggle')
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if (sidebar_toggle.classList.contains('extend')) { // show
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content.classList.remove('extend')
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} else { // hide
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sidebar_toggle.classList.add('extend')
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sidebar.classList.add('hide')
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}
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overlay.classList.add('show')
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}
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let sidebar = document.querySelector('.book-sidebar')
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let overlay = document.querySelector('.off-canvas-overlay')
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sidebar.classList.remove('show')
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overlay.classList.remove('show')
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}
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<div class="off-canvas-content">
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<!-- For Responsive Layout -->
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</a>
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<div class="book-post">
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<p id="tip" align="center"></p>
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<div><h1>06 粘包拆包问题：如何获取一个完整的网络包？</h1>
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<p>本节课开始我们将学习 Netty 通信过程中的编解码技术。编解码技术这是实现网络通信的基础，让我们可以定义任何满足业务需求的应用层协议。在网络编程中，我们经常会使用各种网络传输协议，其中 TCP 是最常用的协议。我们首先需要了解的是 TCP 最基本的<strong>拆包/粘包问题</strong>以及常用的解决方案，才能更好地理解 Netty 的编解码框架。</p>
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<h3>为什么有拆包/粘包</h3>
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<p>TCP 传输协议是面向流的，没有数据包界限。客户端向服务端发送数据时，可能将一个完整的报文拆分成多个小报文进行发送，也可能将多个报文合并成一个大的报文进行发送。因此就有了拆包和粘包。</p>
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<p>为什么会出现拆包/粘包现象呢？在网络通信的过程中，每次可以发送的数据包大小是受多种因素限制的，如 MTU 传输单元大小、MSS 最大分段大小、滑动窗口等。如果一次传输的网络包数据大小超过传输单元大小，那么我们的数据可能会拆分为多个数据包发送出去。如果每次请求的网络包数据都很小，一共请求了 10000 次，TCP 并不会分别发送 10000 次。因为 TCP 采用的 Nagle 算法对此作出了优化。如果你是一位网络新手，可能对这些概念并不非常清楚。那我们先了解下计算机网络中 MTU、MSS、Nagle 这些基础概念以及它们为什么会造成拆包/粘包问题。</p>
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<h4>MTU 最大传输单元和 MSS 最大分段大小</h4>
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<p><strong>MTU（Maxitum Transmission Unit）</strong> 是链路层一次最大传输数据的大小。MTU 一般来说大小为 1500 byte。<strong>MSS（Maximum Segement Size）</strong> 是指 TCP 最大报文段长度，它是传输层一次发送最大数据的大小。如下图所示，MTU 和 MSS 一般的计算关系为：MSS = MTU - IP 首部 - TCP首部，如果 MSS + TCP 首部 + IP 首部 > MTU，那么数据包将会被拆分为多个发送。这就是拆包现象。</p>
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<p><img src="assets/CgqCHl-iZjqAVNpwAAC-5hm9AJA479.png" alt="Drawing 1.png" /></p>
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<h4>滑动窗口</h4>
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<p><strong>滑动窗口</strong>是 TCP 传输层用于流量控制的一种有效措施，也被称为<strong>通告窗口</strong>。滑动窗口是数据接收方设置的窗口大小，随后接收方会把窗口大小告诉发送方，以此限制发送方每次发送数据的大小，从而达到流量控制的目的。这样数据发送方不需要每发送一组数据就阻塞等待接收方确认，允许发送方同时发送多个数据分组，每次发送的数据都会被限制在窗口大小内。由此可见，滑动窗口可以大幅度提升网络吞吐量。</p>
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<p>那么 TCP 报文是怎么确保数据包按次序到达且不丢数据呢？首先，所有的数据帧都是有编号的，TCP 并不会为每个报文段都回复 ACK 响应，它会对多个报文段回复一次 ACK。假设有三个报文段 A、B、C，发送方先发送了B、C，接收方则必须等待 A 报文段到达，如果一定时间内仍未等到 A 报文段，那么 B、C 也会被丢弃，发送方会发起重试。如果已接收到 A 报文段，那么将会回复发送方一次 ACK 确认。</p>
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<h4>Nagle 算法</h4>
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<p><strong>Nagle 算法</strong>于 1984 年被福特航空和通信公司定义为 TCP/IP 拥塞控制方法。它主要用于解决频繁发送小数据包而带来的网络拥塞问题。试想如果每次需要发送的数据只有 1 字节，加上 20 个字节 IP Header 和 20 个字节 TCP Header，每次发送的数据包大小为 41 字节，但是只有 1 字节是有效信息，这就造成了非常大的浪费。Nagle 算法可以理解为<strong>批量发送</strong>，也是我们平时编程中经常用到的优化思路，它是在数据未得到确认之前先写入缓冲区，等待数据确认或者缓冲区积攒到一定大小再把数据包发送出去。</p>
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<p>Linux 在默认情况下是开启 Nagle 算法的，在大量小数据包的场景下可以有效地降低网络开销。但如果你的业务场景每次发送的数据都需要获得及时响应，那么 Nagle 算法就不能满足你的需求了，因为 Nagle 算法会有一定的数据延迟。你可以通过 Linux 提供的 TCP_NODELAY 参数禁用 Nagle 算法。Netty 中为了使数据传输延迟最小化，就默认禁用了 Nagle 算法，这一点与 Linux 操作系统的默认行为是相反的。</p>
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<h3>拆包/粘包的解决方案</h3>
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<p><img src="assets/CgqCHl-iZk2ALa_sAAD704YRY80575.png" alt="Drawing 3.png" /></p>
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<p>在客户端和服务端通信的过程中，服务端一次读到的数据大小是不确定的。如上图所示，拆包/粘包可能会出现以下五种情况：</p>
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<ul>
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<li>服务端恰巧读到了两个完整的数据包 A 和 B，没有出现拆包/粘包问题；</li>
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<li>服务端接收到 A 和 B 粘在一起的数据包，服务端需要解析出 A 和 B；</li>
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<li>服务端收到完整的 A 和 B 的一部分数据包 B-1，服务端需要解析出完整的 A，并等待读取完整的 B 数据包；</li>
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<li>服务端接收到 A 的一部分数据包 A-1，此时需要等待接收到完整的 A 数据包；</li>
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<li>数据包 A 较大，服务端需要多次才可以接收完数据包 A。</li>
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</ul>
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<p>由于拆包/粘包问题的存在，数据接收方很难界定数据包的边界在哪里，很难识别出一个完整的数据包。所以需要提供一种机制来识别数据包的界限，这也是解决拆包/粘包的唯一方法：<strong>定义应用层的通信协议</strong>。下面我们一起看下主流协议的解决方案。</p>
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<h4>消息长度固定</h4>
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<p>每个数据报文都需要一个固定的长度。当接收方累计读取到固定长度的报文后，就认为已经获得一个完整的消息。当发送方的数据小于固定长度时，则需要空位补齐。</p>
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<pre><code>+----+------+------+---+----+
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||
| AB | CDEF | GHIJ | K | LM |
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||
+----+------+------+---+----+
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</code></pre>
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<p>假设我们的固定长度为 4 字节，那么如上所示的 5 条数据一共需要发送 4 个报文：</p>
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<pre><code>+------+------+------+------+
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||
| ABCD | EFGH | IJKL | M000 |
|
||
+------+------+------+------+
|
||
|
||
</code></pre>
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<p>消息定长法使用非常简单，但是缺点也非常明显，无法很好设定固定长度的值，如果长度太大会造成字节浪费，长度太小又会影响消息传输，所以在一般情况下消息定长法不会被采用。</p>
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||
<h4>特定分隔符</h4>
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||
<p>既然接收方无法区分消息的边界，那么我们可以在每次发送报文的尾部加上<strong>特定分隔符</strong>，接收方就可以根据特殊分隔符进行消息拆分。以下报文根据特定分隔符 \n 按行解析，即可得到 AB、CDEF、GHIJ、K、LM 五条原始报文。</p>
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||
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<pre><code>+-------------------------+
|
||
| AB\nCDEF\nGHIJ\nK\nLM\n |
|
||
+-------------------------+
|
||
|
||
</code></pre>
|
||
|
||
<p>由于在发送报文时尾部需要添加特定分隔符，所以对于分隔符的选择一定要避免和消息体中字符相同，以免冲突。否则可能出现错误的消息拆分。比较推荐的做法是将消息进行编码，例如 base64 编码，然后可以选择 64 个编码字符之外的字符作为特定分隔符。特定分隔符法在消息协议足够简单的场景下比较高效，例如大名鼎鼎的 Redis 在通信过程中采用的就是换行分隔符。</p>
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<h4>消息长度 + 消息内容</h4>
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<pre><code>消息头 消息体
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||
+--------+----------+
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| Length | Content |
|
||
+--------+----------+
|
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</code></pre>
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<p><strong>消息长度 + 消息内容</strong>是项目开发中最常用的一种协议，如上展示了该协议的基本格式。消息头中存放消息的总长度，例如使用 4 字节的 int 值记录消息的长度，消息体实际的二进制的字节数据。接收方在解析数据时，首先读取消息头的长度字段 Len，然后紧接着读取长度为 Len 的字节数据，该数据即判定为一个完整的数据报文。依然以上述提到的原始字节数据为例，使用该协议进行编码后的结果如下所示：</p>
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<pre><code>+-----+-------+-------+----+-----+
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| 2AB | 4CDEF | 4GHIJ | 1K | 2LM |
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+-----+-------+-------+----+-----+
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</code></pre>
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<p>消息长度 + 消息内容的使用方式非常灵活，且不会存在消息定长法和特定分隔符法的明显缺陷。当然在消息头中不仅只限于存放消息的长度，而且可以自定义其他必要的扩展字段，例如消息版本、算法类型等。</p>
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<h3>总结</h3>
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<p>本节课我们详细讨论了 TCP 中的拆包/粘包问题，以及如何通过应用层的通信协议来解决拆包/粘包问题。其中基于消息长度 + 消息内容的变长协议是项目开发中最常用的一种方法，需要我们重点掌握，例如开源中间件 Dubbo、RocketMQ 等都基于该方法自定义了自己的通信协议，下节课我们将一起学习如何设计高效、可扩展、易维护的自定义网络通信协议。</p>
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<a class="off-canvas-overlay" onclick="hide_canvas()"></a>
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<script defer src="https://static.cloudflareinsights.com/beacon.min.js/v652eace1692a40cfa3763df669d7439c1639079717194" integrity="sha512-Gi7xpJR8tSkrpF7aordPZQlW2DLtzUlZcumS8dMQjwDHEnw9I7ZLyiOj/6tZStRBGtGgN6ceN6cMH8z7etPGlw==" data-cf-beacon='{"rayId":"709973485ea23d60","version":"2021.12.0","r":1,"token":"1f5d475227ce4f0089a7cff1ab17c0f5","si":100}' crossorigin="anonymous"></script>
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</body>
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<!-- Global site tag (gtag.js) - Google Analytics -->
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<script async src="https://www.googletagmanager.com/gtag/js?id=G-NPSEEVD756"></script>
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<script>
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window.dataLayer = window.dataLayer || [];
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function gtag() {
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dataLayer.push(arguments);
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}
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gtag('js', new Date());
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gtag('config', 'G-NPSEEVD756');
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var path = window.location.pathname
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var cookie = getCookie("lastPath");
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console.log(path)
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if (path.replace("/", "") === "") {
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if (cookie.replace("/", "") !== "") {
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console.log(cookie)
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document.getElementById("tip").innerHTML = "<a href='" + cookie + "'>跳转到上次进度</a>"
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}
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} else {
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setCookie("lastPath", path)
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}
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function setCookie(cname, cvalue) {
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var d = new Date();
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d.setTime(d.getTime() + (180 * 24 * 60 * 60 * 1000));
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var expires = "expires=" + d.toGMTString();
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document.cookie = cname + "=" + cvalue + "; " + expires + ";path = /";
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}
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function getCookie(cname) {
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var name = cname + "=";
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var ca = document.cookie.split(';');
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for (var i = 0; i < ca.length; i++) {
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var c = ca[i].trim();
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if (c.indexOf(name) === 0) return c.substring(name.length, c.length);
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}
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return "";
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}
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</script>
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</html>
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