Java 网络编程之粘包

什么是TCP协议?

TCP 全称是 Transmission Control Protocol(传输控制协议),它由 IETF 的 RFC 793 定义,是一种面向连接的点对点的传输层通信协议。TCP 是 Internet 上最常用的协议,它也是实现 HTTP(HTTP 1.0/HTTP 2.0)通讯的基础,当我们在浏览器中请求网页时,计算机会将 TCP 数据包发送到 Web 服务器的地址,要求它将网页返还给我们,Web 服务器通过发送 TCP 数据包流进行响应,然后浏览器将这些数据包缝合在一起以形成网页。

TCP 的全部意义在于它的可靠性,它通过对数据包编号来对其进行排序,而且它会通过让服务器将响应发送回浏览器说“已收到”来进行错误检查,因此在传输过程中不会丢失或破坏任何数据。

UDP

UDP(user datagram protocol,用户数据报协议)是无连接的,面向消息的,提供高效率服务。不会使用块的合并优化算法,由于UDP支持的是一对多的模式,所以接收端的skbuff(套接字缓冲区)采用了链式结构来记录每一个到达的UDP包,在每个UDP包中就有了消息头(消息来源地址,端口等信息),这样,对于接收端来说,就容易进行区分处理了。 即面向消息的通信是有消息保护边界的。

由于TCP无消息保护边界, 需要在消息接收端处理消息边界问题,也就是我们所说的粘包、拆包问题;而UDP通信则不需要考虑此问题。

什么是粘包?

粘包问题是指当发送两条消息时,比如发送了 ABC 和 DEF,但另一端接收到的却是 ABCD,像这种一次性读取了两条数据的情况就叫做粘包(正常情况应该是一条一条读取的)。

为什么会有粘包问题?

这是因为 TCP 是面向连接的传输协议,TCP 传输的数据是以流的形式,而流数据是没有明确的开始结尾边界,所以 TCP 也没办法判断哪一段流属于一个消息。

粘包的主要原因:

  • 发送方每次写入数据 < 套接字(Socket)缓冲区大小;
  • 接收方读取套接字(Socket)缓冲区数据不够及时。
什么是缓冲区?

缓冲区又称为缓存,它是内存空间的一部分。也就是说,在内存空间中预留了一定的存储空间,这些存储空间用来缓冲输入或输出的数据,这部分预留的空间就叫做缓冲区。

缓冲区的优势以文件流的写入为例,如果我们不使用缓冲区,那么每次写操作 CPU 都会和低速存储设备也就是磁盘进行交互,那么整个写入文件的速度就会受制于低速的存储设备(磁盘)。但如果使用缓冲区的话,每次写操作会先将数据保存在高速缓冲区内存上,当缓冲区的数据到达某个阈值之后,再将文件一次性写入到磁盘上。因为内存的写入速度远远大于磁盘的写入速度,所以当有了缓冲区之后,文件的写入速度就被大大提升了。

粘包的解决方案

  • 发送方和接收方规定固定大小的缓冲区,也就是发送和接收都使用固定大小的 byte[] 数组长度,当字符长度不够时使用空字符弥补;
  • 在 TCP 协议的基础上封装一层数据请求协议,既将数据包封装成数据头(存储数据正文大小)+ 数据正文的形式,这样在服务端就可以知道每个数据包的具体长度了,知道了发送数据的具体边界之后,就可以解决半包和粘包的问题了;
  • 以特殊的字符结尾,比如以“\n”结尾,这样我们就知道结束字符,从而避免了粘包问题(推荐解决方案)。

解决方案1:固定缓冲区大小

固定缓冲区大小的实现方案,只需要控制服务器端和客户端发送和接收字节的(数组)长度相同即可。

缺点:虽然这种方式可以解决粘包的问题,但这种固定缓冲区大小的方式增加了不必要的数据传输,因为这种方式当发送的数据比较小时会使用空字符来弥补,所以这种方式就大大的增加了网络传输的负担,所以它也不是最佳的解决方案。

解决方案2:封装请求协议

这种解决方案的实现思路是将请求的数据封装为两部分:数据头+数据正文,在数据头中存储数据正文的大小,当读取的数据小于数据头中的大小时,继续读取数据,直到读取的数据长度等于数据头中的长度时才停止。

缺点:因为这种方式可以拿到数据的边界,所以也不会导致粘包的问题,但这种实现方式的编码成本较大也不够优雅,因此不是最佳的实现方案。

解决方案3:特殊字符结尾,按行读取

这种解决方案的核心是,使用 Java 中自带的 BufferedReader 和 BufferedWriter,也就是带缓冲区的输入字符流和输出字符流,通过写入的时候加上 \n 来结尾,读取的时候使用 readLine 按行来读取数据,这样就知道流的边界了,从而解决了粘包和半包的问题。

总结

粘包是指读取到了两条信息,正常情况下消息应该是一条一条读取的,导致粘包和半包的原因是 TCP 的传输是以流的形式进行的,而流数据是没有明确的开始和结尾标识的,因此就导致了此问题。

我们提供了 3 种粘包的解决方案:其中最推荐的是使用 BufferedReader 和 BufferedWriter 按行来读、写和区分消息。

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