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第四章 TCP粘包/拆包问题

4.1 TCP 粘包/拆包

TCP是流协议，也就是没有界限的的一串数据，底层并不知道上层业务数据的具体含义，也就是说一个完整的包可能会被拆分成多个包进行发送，也可能把几个小包封装成一个大的数据包发送。这就是拆包和粘包

4.1.1 TCP粘包拆包问题说明

存在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D11，第二次读取到了D1包的剩余内容D12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5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。

4.1.2 原因

MTU（Maximum Transmission Unit），网络层能够传输的最大数据包大小（以字节为单位） MTU限制了在网络上传输的每个数据包的最大大小。

MMS（Maximum Segment Size），MMS是指TCP协议在一次传输中可以发送的最大数据量（不包括TCP头部的大小）。它是由MTU决定的，具体来说是MTU减去IP和TCP头部的大小。MMS定义了TCP每次发送数据时，数据段的最大大小。它保证了数据段能够顺利通过网络，而不会导致分片。

TCP粘包和拆包发生的原因：

1. 应用程序write写入的字节大小大于套接口发送缓冲区大小
2. 进行MSS大小的 TCP分段;
3. 以太网帧的payload 大于MTU 进行IP 分片

4.1.3 粘包问题的解决

这个问题只能通过上层应用协议栈设计解决：

1. 消息定长
2. 包尾增加回车换行符进行分割，例如FTP协议
3. 将消息分为消息头和消息体，消息头包含消息总长度（通常思路为消息头的第一个字段使用int32来表示消息总长度）
4. 更复杂的应用层协议

4.2 TCP粘包导致的功能异常

会导致消息粘包，程序不能正常运作

4.3 利用LineBasedFrameDecoder解决

在Handler之前添加两个解码器，LineBasedFrameDecoder和StringDecoder

原理分析：

LineBasedFrameDecoder的工作原理是它依次遍历ByteBuf中的可读字节，判断看是否有“\”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。如果连续读取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的功能就是将接收到的对象转换成字符串，然后继续调用后面的 Handler。LineBasedFrameDecoder+StringDecoder 组合就是按行切换的文本解码器它被设计用来支持TCP的粘包和拆包。

Netty提供多种解码器

第五章 分隔符和定长解码器的应用

四种区分消息的方式：

1. 消息定长，累计读取到长度总和为LEN的报文后，就认为读到了一个完整的消息，将计数器重置，读取下一个
2. 包尾增加回车换行符进行分割，例如FTP协议
3. 特殊分隔符作为消息的结束标志，比如回车换行符
4. 将消息分为消息头和消息体，消息头包含消息总长度（通常思路为消息头的第一个字段使用int32来表示消息总长度）

Netty对这四种应用做了统一的抽象，提供了四种编码解码器

5.1 DelimiterBasedFrameDecoder

自动完成以分隔符做结束的消息的解码

5.1.1 服务端开发

创建一个DelimiterBasedFrameDecoder对象，加入到ChannelPipeline，有两个参数一个是单挑消息的最大长度，一个是分隔符缓冲对象

然后将StringDecoder加入Pipeline，将ByteBuf解码成字符串对象，再由ServerHandler处理业务

5.1.2 客户端开发

与服务端添加方法类似

5.2 FixedLengthFrameDecoder

固定长度解码器，能够按照指定长度对消息自动解码

5.2.1 服务端开发

在服务端的ChannelPipeline中新增FixedLengthFrameDecoder，长度设置为20，在依次添加字符串解码器和ServerHandler

利用 FixedLengthFrameDecoder 解码器，无论一次接收到多少数据报，它都会按照构造函数中设置的固定长度进行解码，如果是半包消息，FixedLengthFrameDecoder 会缓存半包消息并等待下个包到达后进行拼包，直到读取到一个完整的包。

第六章 编解码技术

进行远程传输时，将被传输的Java对象编码成字节数组或者ByteBuffer对象，远程服务读取到ByteBuffer对象或字节数组时，需要解码为发送时的Java对象。称为编解码技术

6.1 Java序列化的缺点

评判一个编解码框架的优劣时，往往会考虑以下几个因素。

• 是否支持跨语言，支持的语言种类是否丰富:
• 编码后的码流大小:
• 编解码的性能;
• 类库是否小巧，API使用是否方便;
• 使用者需要手工开发的工作量和难度。

几乎所有的Java RPC框架，都没有使用Java序列化作为编解码框架，有以下缺点

• 无法跨语言

• 序列化后的码流太大

• 序列化性能太低

6.2 主流的编解码框架

Netty中应用的一些编解码框架

6.2.1 Google的Protobuf

数据结构以.proto 文件进行描述，通过代码生成工具可以生成对应数据结构的POJO对象和Protobuf相关的方法和属性

特点：

• 结构化数据存储格式
• 高效的编解码性能
• 语言无关、平台无关、扩展性好
• 官方支持Java、C++和python

优点：

• 文本化的数据结构描述语言，可以实现语言和平台无关，特别适合异构系统间的集成;
• 通过标识字段的顺序，可以实现协议的前向兼容:
• 自动代码生成，不需要手工编写同样数据结构的C++和Java版本:
• 方便后续的管理和维护。相比于代码，结构化的文档更容易管理和维护。

6.2.2 Facebook的Thrift

支持数据序列化和多种类型的RPC服务，适用于静态的数据交换，需要先确定好数据结构，数据结构发生变化时，必须重新编辑IDL文件。支持二进制压缩编解码，所以性能表现也很优异

由五部分组成，

1. 语言系统以及IDL编译器:负责由用户给定的IDL文件生成相应语言的接口代码;

2. TProtocol:RPC的协议层，可以选择多种不同的对象序列化方式，如JSON和Binary;

3. TTransport:RPC的传输层，同样可以选择不同的传输层实现，如socket、NIO、MemoryBuffer等:

4. TProcessor:作为协议层和用户提供的服务实现之间的纽带，负责调用服务实现的接口;

5. TServer:聚合TProtocol、TTransport和 TProcessor 等对象

编解码框架，与之对应的就是TProtocol。由于Thri的RPC服务调用和编解码框架绑定在一起,所以,通常我们使用Thrit的时候会采取RPC框架的方式。但是，它的TProtocol编解码框架还是可以以类库的方式独立使用的。

6.2.3 JBoss Marshalling

是一个Java对象的序列化API包，修正了JDK自带的序列化包的一些问题

优点：

• 可插拔的类解析器，提供更加便捷的类加载定制策略通 过口即可实现定制;
• 可插拔的对象替换技术，不需要通过继承的方式;
• 可插拔的预定义类缓存表，可以减小序列化的字节数组长度，提升常用类型的对象序列化性能;
• 无须实现 java.io.Serializable接口，即可实现 Java序列化;
• 通过缓存技术提升对象的序列化性能。