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Golang通過包長協定處理TCP粘包的問題解決

2022-06-23 14:01:14

tcp粘包產生的原因這裡就不說了,因為大家能搜尋TCP粘包的處理方法,想必大概對TCP粘包有了一定了解,所以我們直接從處理思路開始講起

tcp粘包現象程式碼重現

首先,我們來重現一下TCP粘包,然後再此基礎之上解決粘包的問題,這裡給出了client和server的範例程式碼如下

/*
    檔名:client.go
    client使用者端的範例程式碼(未處理粘包問題)
    通過無限迴圈無時間間隔傳送資料給server伺服器
    server將會不間斷的出現TCP粘包問題
*/
package main
import (
    "fmt"
    "net"
)
func main() {
    conn, err := net.Dial("tcp", ":9000")
    if err != nil {
        return
    }
    defer conn.Close()
    for {
        s := "Hello, Server!"
        n, err := conn.Write([]byte(s))
        if err != nil {
            fmt.Println("Error:", err)
            fmt.Println("Error N:", n)
            return
        }
        // 這裡通過限制傳送頻率和時間間隔來解決TCP粘包
        // 雖然能夠實現,但是頻率被限制,效率也會被限制
        // time.Sleep(time.Second * 1)
    }
}
/*
    檔名:server.go
    server伺服器端的範例程式碼(未處理粘包問題)
    伺服器端接收到資料後立即列印
    此時將會不間斷的出現TCP粘包問題
*/
package main
import (
    "fmt"
    "net"
)
func main() {
    ln, err := net.Listen("tcp", ":9000")
    if err != nil {
        return
    }
    for {
        conn, err := ln.Accept()
        if err != nil {
            continue
        }
        go handleConnection(conn)
    }
}
func handleConnection(conn net.Conn) {
    defer conn.Close()
    tmp := []byte{}
    for {
        buf := make([]byte, 1024)
        n, err := conn.Read(buf)
        if err != nil {
            fmt.Println("Read Error:", err)
            fmt.Println("Read N:", n)
            return
        }
        fmt.Println(string(buf))
    }
}

按順序啟動server.go和client.go,正常情況下每行會輸出Hello, World!字樣,出現TCP粘包後,將會出現類似Hello, World!Hello之類的字樣,後一個包粘到前一個包了

解決TCP粘包有很多種方法,歸結起來就是通過自定義通訊協定來解決,例如分隔符協定、MQTT協定、包長協定等等,而我們這裡介紹的就是通過包長協定來解決問題的,當然包長協定也有很多種自定義的方法

通過演示的結果,我們可以看出來,後一個包粘到了前一個包,而且後一個包不一定是一個完整的包,也很有可能第一次收到的封包也不是完整的封包

tcp粘包問題處理方法

這樣我們就有必要校驗每次收到的封包是否是我們期望收到的,比較直觀的,使用者端和伺服器端雙方協商某種協定,例如包長協定,在使用者端傳送資料時,先計算一下資料的長度(假設用2位元組的uint16表示),然後將計算得到的長度和實際的資料組裝成一個包,最後傳送給伺服器端;而伺服器端接收到資料時,先讀取2位元組的資料長度資訊(可能不足2位元組,程式需要針對這種情況設計),然後根據資料長度來讀取後邊的資料(可能會存在資料過剩、資料剛好、資料不足等情況,程式需要針對這些情況設計)

有了思路之後,我們就需要對傳送端和接收端的資料進行處理了,因為傳送端較為簡單,不需要考慮其他情況,只管封裝封包傳送,所以這裡我們先對傳送端client進行處理

/*
    檔名:client.go
    使用包長協定,封裝TCP包並回圈傳送給server伺服器端
*/
package main
import (
    "encoding/binary"
    "fmt"
    "net"
)
func main() {
    conn, err := net.Dial("tcp", ":9000")
    if err != nil {
        return
    }
    defer conn.Close()
    for {
        s := "Hello, Server!"
        sbytes := make([]byte, 2+len(s))
        binary.BigEndian.PutUint16(sbytes, uint16(len(s)))
        copy(sbytes[2:], []byte(s))
        n, err := conn.Write(sbytes)
        if err != nil {
            fmt.Println("Error:", err)
            fmt.Println("Error N:", n)
            return
        }
        // time.Sleep(time.Second * 1)
    }
}

按照我們的思路,首先使用len()函數計算出待傳送字串的長度,然後使用make()函數建立一個[]byte切片作為待組裝傳送的封包快取sbyte,長度就是2位元組的包頭+字串的長度,接著通過binary.BigEndian.PutUint16()函數來對封包快取sbyte進行操作,將字串的長度資訊寫入2位元組的包頭中,緊接著又通過copy()完成封包組裝,最後通過conn.Write()將封包傳送出去,這樣子傳送出去的資料大概長成下面的樣子

[0][14][H][e][l][l][o][,][ ][S][e][r][v][e][r][!]

其中,封包整體長16bytes,Hello, Server!則長14bytes

好了,至此資料將會迴圈不簡短的傳送給伺服器端,接下來我們就要對伺服器端server.go進行處理了,先上程式碼

/*
    檔名:server.go
    使用包長協定,處理接收到的封包資料
    收到的封包資料,可能存在幾種情況:
    1、封包總長度不足2位元組(這種情況不能完整獲取包頭),快取起來與下次獲取的資料拼接
    2、封包總長度剛好2位元組,資料長度資訊讀出來是0,這種情況可以正常處理並清空快取
    3、封包總長度大於2位元組,資料長度資訊大於封包資料實際長度,表示封包不完整,需要等到下一次讀取再拼接起來
    4、封包總長度大於2位元組,資料長度資訊等於封包資料實際長度,這種情況(理想情況)可以正常處理並清空快取
    5、封包總長度大於2位元組,資料長度資訊小於封包實際長度,表示封包發生TCP粘包了,讀取實際資料後,將剩餘部分快取起來等待下次拼接
    PS:這裡只總結出了這幾種情況,其他未發現的情況還需另外處理
*/
package main
import (
    "encoding/binary"
    "fmt"
    "net"
)
func main() {
    ln, err := net.Listen("tcp", ":9000")
    if err != nil {
        return
    }
    for {
        conn, err := ln.Accept()
        if err != nil {
            continue
        }
        go handleConnection(conn)
    }
}
func handleConnection(conn net.Conn) {
    defer conn.Close()
    tmp := []byte{}
    for {
        buf := make([]byte, 1024)
        // fmt.Println("len:", len(buf), " cap:", cap(buf))
        n, err := conn.Read(buf)
        if err != nil {
            if e, ok := err.(*net.OpError); ok {
                fmt.Println(e.Source, e.Addr, e.Net, e.Op, e.Err)
                if e.Timeout() {
                    fmt.Println("Timeout Error")
                }
            }
            fmt.Println("Read Error:", err)
            fmt.Println("Read N:", n)
            return
        }
        if n == 0 {
            fmt.Println("Read N:", n)
            return
        }
        tmp = append(tmp, buf[:n]...)
        length := len(tmp)
        if length < 2 {
            continue
        }
        if length >= 2 {
            head := make([]byte, 2)
            copy(head, tmp[:2])
            dataLength := binary.BigEndian.Uint16(head)
            data := make([]byte, dataLength)
            copy(data, tmp[2:dataLength+2])
            fmt.Println(string(data)) // 得到資料
            if uint16(length) == 2+dataLength {
                tmp = []byte{}
            } else if uint16(length) > 2+dataLength {
                tmp = tmp[dataLength+2:]
            }
        }
        // fmt.Println(string(buf))
    }
}

ps:這裡的範例程式碼不能直接用於生產環境,只是提供tcp粘包處理的思路過程,程式碼還是存在一些問題的,例如server.go伺服器端還沒有對第3種情況進行處理,封包總長度大於2位元組,資料長度資訊大於封包資料實際長度,表示封包不完整,需要等到下一次讀取再拼接起來

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