粘包处理现象及其解决方案——基于NewLife.Net网络库的管道式帧长粘包处理方法
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2022-06-27 20:47:10
粘包处理现象及其解决方案——基于NewLife.Net网络库的管道式帧长粘包处理方法 [toc] 1.粘包现象 每个TCP 长连接都有自己的socket缓存buffer，默认大小是8K,可支持手动设置。粘包是TCP长连接中最常见的现象，如下图 socket缓存中有5帧（或者说5包）心跳数据，包头即F ......
粘包处理现象及其解决方案——基于newlife.net网络库的管道式帧长粘包处理方法
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1.粘包现象
每个tcp 长连接都有自己的socket缓存buffer，默认大小是8k,可支持手动设置。粘包是tcp长连接中最常见的现象，如下图
socket缓存中有5帧（或者说5包）心跳数据，包头即f0 aa 55 0f（十六进制），通过数包头数据我们确认出来缓存里有5帧心跳包，但是5帧数据彼此头尾相连粘合在了一起，这种常见的tcp缓存现象，我们称之为粘包。
2.粘包原因
2.1. 同一客户端连续发送
同一客户端连续发送心跳数据，当tcp服务端还来不及解析（如果解析完会把缓存清掉）。造成了同一缓存数据包的粘合。
2.2. 网络拥塞造成粘包
当某一时刻发生了网络拥塞，一会之后，突然网络畅通，tcp服务端收到同一客户端的多个心跳包，多个数据包会在tcp服务端的缓存中进行了粘合。
2.3. 服务端卡死了
当服务端因为计算量过大或者其他的原因，计算缓慢，来不及处理tcp socket缓存中的数据，多个心跳包（或者其他报文）也会在socket缓存中首尾相连，粘包。
总而言之，就是多个数据包在同一个tcp socket缓存中进行了首尾相连现象，即为粘包现象。
3. 粘包的危害
由于粘包现象存在的客观性，我们必须人为地在程序逻辑里将其区分，如果不去区分，任由各个数据包进行粘连，有以下几点危害：
3.1. 无法正确解析数据包
服务端会不断识别为无效包，告诉客户端，客户端会再次上报，因此会增加客户端服务端的运行压力，如果本身运算量很大，则会出现一些异常奔溃现象。
3.2. 错误数据包被错误解析
无巧不成书，如果错误的粘包，凑巧被服务端进行成功解析，则会进行错误的handler 处理。这样的错误处理方式危害会超过3.1。
3.3. 进入死循环
如果频率过快，则会出现这种现象，服务器不断识别粘包为无效包，客户端不断上报，以此消耗cpu的占用率。
综上，我们必须要进行tcp的粘包处理，这是软件系统健壮性跟异常处理机制的基础。
4. 粘包的逻辑处理方式
4.1. 根据包尾特征参数进行区分
规定几个字节为每帧tcp报文的包尾特征（比如4个字节），检索整个socket缓存字节，每当检测到包尾特征字节的时候，就划分报文，以此来正确分割粘包。
特征：需要检测每个字节，效率较低，适合短报文，如果报文很长则不适合。
4.2. 根据包头包尾特征参数进行区分
与4.1相似，多了包头检测部分。
特征：只需检测第一帧的每个字节，第二帧只需检测包头部分，适合长报文
4.3. 根据报文长度来进行粘包区分
根据报文长度偏置值，读第一帧的报文，从粘包中（socket缓存）划分出第一帧正确报文，找第二帧的报文长度，划分第二帧，以此划分到底。
举例：如下长度偏置为5（从0开始计算），即第6，第7字节为报文长度字节。
特征：只需检测报文长度部分，适合长短报文的粘包划分。
5. 根据报文长度来区分粘包的代码落地——基于newlife.net的管道处理
5.1. newlife.net管道架构处理方式
newlife.net管道架构的设计，参考了java的netty开源框架，因此大部分netty的编解码器都可以在此使用。
具体在代码中的表现为
_pemsserver.add(new stickpackagesplit { size = 2 });
即将lengthcodec这个编解码器加入到了管道中去，所有的message都会经过lengthcodec这里主要是解码功能，没有进行编码，解码成功后（粘包根据长度划分出多个有效包）推送到onreceive方法中去。size = 2表示报文长度是2个字节。
5.2. 跟http的管道类比
与net core 的webapi项目的管道添加，是否发现似曾相识？
app.useauthentication(); app.userequestlog(); app.usecors(_defaultcorspolicyname); app.usemvc();
管道添加的先后顺序即数据流流经管道的顺序。只是没去追求是先有socket的管道处理机制，还是http 上下文的管道处理机制。但是道理是相同的。
5.3.拆分粘包解码器（根据长度解码）
5.3.1. 长度偏移地址offset属性
长度所在位置的偏移地址。默认为5，解释详见4.3。
//
// 摘要:
// 长度所在位置
public int offset
{
get;
set;
} = 5;
5.3.2.长度字节数size属性
本文讨论长度字节数为2，详见4.3
//
// 摘要:
// 长度占据字节数，1/2/4个字节，0表示压缩编码整数，默认2
public int size
{
get;
set;
} = 2;
5.3.3. 编码方法encode
//
// 摘要:
// 编码,此应用不需要编码，只需解码，
// 按长度将粘包划分成多个数据包
//
// 参数:
// context:
//
// msg:
protected override object encode(ihandlercontext context, packet msg)
{
return msg;
}
这里无需编码，故直接返回msg。
5.3.4. 解码方法decode
//
// 摘要:
// 解码
//
// 参数:
// context:
//
// pk:
protected override ilist<packet> decode(ihandlercontext context, packet pk)
{
iextend extend = context.owner as iextend;
lengthcodec packetcodec = extend["codec"] as lengthcodec;
if (packetcodec == null)
{
iextend extend2 = extend;
lengthcodec obj = new lengthcodec
{
expire = expire,
getlength = ((packet p) => messagecodec<packet>.getlength(p, offset, size))
};
packetcodec = obj;
extend2["codec"] = obj;
}
console.writeline("报文解码前：{0}", bitconverter.tostring(pk.toarray()));
ilist<packet> list = packetcodec.parse(pk);
console.writeline("报文解码");
foreach (var item in list)
{
console.writeline("粘包处理结果:{0}", bitconverter.tostring(item.toarray()));
}
return list;
}
5.3.4.1.解码步骤1——实例化长度解码器对象
实例化长度解码器完成之后，并将其添加到字典中去。
iextend extend2 = extend;
lengthcodec obj = new lengthcodec
{
expire = expire,
getlength = ((packet p) => messagecodec<packet>.getlength(p, offset, size))
};
packetcodec = obj;
extend2["codec"] = obj;
5.3.4.2.解码步骤2——将解码前的报文打印
此步骤非必须，为了最后能让读者看到效果增加。
console.writeline("报文解码前：{0}", bitconvertetostring(pk.toarray()));
5.3.4.3.解码步骤3——将报文进行解码
ilist<packet> list = packetcodec.parse(pk);
解码代码如下：
//
// 摘要:
// 分析数据流，得到一帧数据
//
// 参数:
// pk:
// 待分析数据包
public virtual ilist<packet> parse(packet pk)
{
memorystream stream = stream;
bool num = stream == null || stream.position < 0 || stream.position >= stream.length;
list<packet> list = new list<packet>();
if (num)
{
if (pk == null)
{
return list.toarray();
}
int i;
int num2;
for (i = 0; i < pk.total; i += num2)
{
packet packet = pk.slice(i);
num2 = getlength(packet);
console.writeline(" pk. getlength(packet):{0}", num2);
if (num2 <= 0 || num2 > packet.total)
{
break;
}
packet.set(packet.data, packet.offset, num2);
list.add(packet);
}
if (i == pk.total)
{
return list.toarray();
}
pk = pk.slice(i);
}
lock (this)
{
checkcache();
stream = stream;
if (pk != null && pk.total > 0)
{
long position = stream.position;
stream.position = stream.length;
pk.copyto(stream);
stream.position = position;
}
while (stream.position < stream.length)
{
packet packet2 = new packet(stream);
int num3 = getlength(packet2);
if (num3 <= 0 || num3 > packet2.total)
{
break;
}
packet2.set(packet2.data, packet2.offset, num3);
list.add(packet2);
stream.seek(num3, seekorigin.current);
}
if (stream.position >= stream.length)
{
stream.setlength(0l);
stream.position = 0l;
}
return list;
}
}
解码核心代码如下：
即获得每帧报文的长度，通过委托方法 getlength(packet)，然后循环所有粘包报文，根据每帧报文的长度分割保存到list中去，最后返回list。list的每个元素会触发message接收事件。
委托的使用请敬请关注下一篇，委托代码详见6.
for (i = 0; i < pk.total; i += num2)
{
packet packet = pk.slice(i);
num2 = getlength(packet);
console.writeline(" pk. getlength(packet):{0}", num2);
if (num2 <= 0 || num2 > packet.total)
{
break;
}
packet.set(packet.data, packet.offset, num2);
list.add(packet);
}
5.3.4.4.将粘包处理结果进行打印
foreach (var item in list)
{
console.writeline("粘包处理结果:{0}"bitconverter.tostring(item.toarray()));
}
5.3.5.清空粘包编码器
该方法由newlife.net网络库调用，我们无需关心。
//
// 摘要:
// 连接关闭时，清空粘包编码器
//
// 参数:
// context:
//
// reason:
public override bool close(ihandlercontext contextstring reason)
{
iextend extend = context.owner as iextend;
if (extend != null)
{
extend["codec"] = null;
}
return base.close(context, reason);
}
5.3.6.完整拆分粘包解码器代码
// 摘要:
// 长度字段作为头部
//
public class stickpackagesplit : messagecodec<packet>
{
//
// 摘要:
// 长度所在位置
public int offset
{
get;
set;
} = 5;
//
// 摘要:
// 长度占据字节数，1/2/4个字节，0表示压缩编码整数，默认2
public int size
{
get;
set;
} = 2;
//
// 摘要:
// 过期时间，超过该时间后按废弃数据处理，默认500ms
public int expire
{
get;
set;
} = 500;
//
// 摘要:
// 编码,此应用不需要编码，只需解码，
// 按长度将粘包划分成多个数据包
//
// 参数:
// context:
//
// msg:
protected override object encode(ihandlercontext context, packet msg)
{
return msg;
}
//
// 摘要:
// 解码
//
// 参数:
// context:
//
// pk:
protected override ilist<packet> decode(ihandlercontext context, packet pk)
{
iextend extend = context.owner as iextend;
lengthcodec packetcodec = extend["codec"] as lengthcodec;
if (packetcodec == null)
{
iextend extend2 = extend;
lengthcodec obj = new lengthcodec
{
expire = expire,
getlength = ((packet p) => messagecodec<packet>.getlength(p, offset, size))
};
packetcodec = obj;
extend2["codec"] = obj;
}
console.writeline("报文解码前：{0}", bitconverter.tostring(pk.toarray()));
ilist<packet> list = packetcodec.parse(pk);
console.writeline("报文解码");
foreach (var item in list)
{
console.writeline("粘包处理结果:{0}", bitconverter.tostring(item.toarray()));
}
return list;
}
//
// 摘要:
// 连接关闭时，清空粘包编码器
//
// 参数:
// context:
//
// reason:
public override bool close(ihandlercontext context, string reason)
{
iextend extend = context.owner as iextend;
if (extend != null)
{
extend["codec"] = null;
}
return base.close(context, reason);
}
}
6.长度计算委托getlength
5.3.6中会调用如下每个包的长度计算委托。关于委托的使用方法会在下一篇讲解，这里不再展开。
//
// 摘要:
// 从数据流中获取整帧数据长度
//
// 参数:
// pk:
//
// offset:
//
// size:
//
// 返回结果:
// 数据帧长度（包含头部长度位）
protected static int getlength(packet pk, int offsetint size)
{
if (offset < 0)
{
return pk.total - pk.offset;
}
int offset2 = pk.offset;
if (offset >= pk.total)
{
return 0;
}
int num = 0;
switch (size)
{
case 0:
{
memorystream stream = pk.getstream();
if (offset > 0)
{
stream.seek(offset, seekorigicurrent);
}
num = stream.readencodedint();
num += (int)(stream.position - offset);
break;
}
case 1:
num = pk[offset];
break;
case 2:
num = pk.readbytes(offset, 2).touint16();
break;
case 4:
num = (int)pk.readbytes(offset, 4).touint32;
break;
case -2:
num = pk.readbytes(offset, 2).touint16(0islittleendian: false);
break;
case -4:
num = (int)pk.readbytes(offset, 4).touint(0, islittleendian: false);
break;
default:
throw new notsupportedexception();
}
if (num > pk.total)
{
return 0;
}
return num;
}
7.最终粘包拆分效果图
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