Netty进阶篇

黏包和半包

前置知识

滑动窗口

• TCP以一个段（segment）为单位，每发送一个段就需要进行一次确认应答（ack）处理，但如果这么做，缺点是包的往返时间越长性能就越差

  

• 为了解决此问题，引入了窗口概念，窗口大小即决定了无需等待应答而可以继续发送的数据最大值

  

• 窗口实际就起到一个缓冲区的作用，同时也能起到流量控制的作用

  • 图中深色的部分即要发送的数据，高亮的部分即窗口
  • 窗口内的数据才允许被发送，当应答未到达前，窗口必须停止滑动
  • 如果 1001~2000 这个段的数据 ack 回来了，窗口就可以向前滑动
  • 接收方也会维护一个窗口，只有落在窗口内的数据才能允许接收

MSS限制

链路层对一次能够发送的最大数据有限制，这个限制称之为 MTU（maximum transmission unit），不同的链路设备的 MTU 值也有所不同，例如

• 以太网的 MTU 是 1500

• FDDI（光纤分布式数据接口）的 MTU 是 4352

• 本地回环地址的 MTU 是 65535 - 本地测试不走网卡

• MSS 是最大段长度（maximum segment size），它是 MTU 刨去 tcp 头和 ip 头后剩余能够作为数据传输的字节数

• ipv4 tcp 头占用 20 bytes，ip 头占用 20 bytes，因此以太网 MSS 的值为 1500 - 40 = 1460

• TCP 在传递大量数据时，会按照 MSS 大小将数据进行分割发送

• MSS 的值在三次握手时通知对方自己 MSS 的值，然后在两者之间选择一个小值作为 MSS

Nagle算法

即使发送一个字节，也需要加入 tcp 头和 ip 头，也就是总字节数会使用 41 bytes，非常不经济。因此为了提高网络利用率，tcp希望尽可能发送足够大的数据，这就是Nagle算法产生的缘由

• 该算法是指发送端即使还有应该发送的数据，但如果这部分数据很少的话，则进行延迟发送
  • 如果 SO_SNDBUF 的数据达到 MSS，则需要发送
  • 如果 SO_SNDBUF 中含有 FIN（表示需要连接关闭）这时将剩余数据发送，再关闭
  • 如果 TCP_NODELAY = true，则需要发送
  • 已发送的数据都收到 ack 时，则需要发送
  • 上述条件不满足，但发生超时（一般为 200ms）则需要发送
  • 除上述情况，延迟发送

现象分析

黏包：

• 现象，发送abc和def，接收abcdef
• 原因：
  • 应用层：接收方 ByteBuf 设置太大（Netty 默认 1024）
  • 滑动窗口：假设发送方 256 bytes 表示一个完整报文，但由于接收方处理不及时且窗口大小足够大，这 256 bytes 字节就会缓冲在接收方的滑动窗口中，当滑动窗口中缓冲了多个报文就会粘包
  • Nagle算法：会造成黏包

半包：

• 现象，发送abcdef，接收abc和def
• 原因：
  • 应用层：接收方 ByteBuf 小于实际发送数据量
  • 滑动窗口：假设接收方的窗口只剩了 128 bytes，发送方的报文大小是 256 bytes，这时放不下了，只能先发送前 128 bytes，等待 ack 后才能发送剩余部分，这就造成了半包
  • MSS限制：当发送的数据超过 MSS 限制后，会将数据切分发送，就会造成半包

本质是因为TCP是流式协议，消息无边界

解决方案

1. 短连接

发一个包建立一次连接，这样连接建立到连接断开之间就是消息的边界，缺点效率太低

public class HelloWorldClient {
    static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(HelloWorldClient.class);

    public static void main(String[] args) {
        // 分 10 次发送
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            send();
        }
    }

    private static void send() {
        NioEventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.channel(NioSocketChannel.class);
            bootstrap.group(worker);
            bootstrap.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                @Override
                protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                    log.debug("conneted...");
                    ch.pipeline().addLast(new LoggingHandler(LogLevel.DEBUG));
                    ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {
                        @Override
                        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
                            log.debug("sending...");
                            ByteBuf buffer = ctx.alloc().buffer();
                            buffer.writeBytes(new byte[]{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15});
                            ctx.writeAndFlush(buffer);
                            // 发完即关
                            ctx.close();
                        }
                    });
                }
            });
            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("localhost", 8080).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();

        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("client error", e);
        } finally {
            worker.shutdownGracefully();
        }
    }
}

半包用这种办法不好解决，因为接收方的缓冲区大小是有限的

2. 每一条消息采用固定长度

让所有数据包长度固定（假设长度为8字节），服务器端加入

ch.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(8));

客户端测试代码

public class HelloWorldClient {
    static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(HelloWorldClient.class);

    public static void main(String[] args) {
        NioEventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.channel(NioSocketChannel.class);
            bootstrap.group(worker);
            bootstrap.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                @Override
                protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                    log.debug("connetted...");
                    ch.pipeline().addLast(new LoggingHandler(LogLevel.DEBUG));
                    ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {
                        @Override
                        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
                            log.debug("sending...");
                            // 发送内容随机的数据包
                            Random r = new Random();
                            char c = 'a';
                            ByteBuf buffer = ctx.alloc().buffer();
                            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                                byte[] bytes = new byte[8];
                                for (int j = 0; j < r.nextInt(8); j++) {
                                    bytes[j] = (byte) c;
                                }
                                c++;
                                buffer.writeBytes(bytes);
                            }
                            ctx.writeAndFlush(buffer);
                        }
                    });
                }
            });
            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("192.168.0.103", 9090).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();

        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("client error", e);
        } finally {
            worker.shutdownGracefully();
        }
    }
}

缺点是，数据包的大小不好把握

• 长度定的太大，浪费
• 长度定的太小，对某些数据包又显得不够

3. 每一条消息采用分隔符，例如\n

服务端加入，默认以 \n 或 \r\n 作为分隔符，如果超出指定长度仍未出现分隔符，则抛出异常

ch.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));

客户端在每条消息之后，加入 \n 分隔符

public class HelloWorldClient {
    static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(HelloWorldClient.class);

    public static void main(String[] args) {
        NioEventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.channel(NioSocketChannel.class);
            bootstrap.group(worker);
            bootstrap.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                @Override
                protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                    log.debug("connetted...");
                    ch.pipeline().addLast(new LoggingHandler(LogLevel.DEBUG));
                    ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {
                        @Override
                        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
                            log.debug("sending...");
                            Random r = new Random();
                            char c = 'a';
                            ByteBuf buffer = ctx.alloc().buffer();
                            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                                for (int j = 1; j <= r.nextInt(16)+1; j++) {
                                    buffer.writeByte((byte) c);
                                }
                                buffer.writeByte(10);
                                c++;
                            }
                            ctx.writeAndFlush(buffer);
                        }
                    });
                }
            });
            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("192.168.0.103", 9090).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();

        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("client error", e);
        } finally {
            worker.shutdownGracefully();
        }
    }
}

缺点：处理字符数据比较合适，但如果内容本身包含了分隔符（字节数据常常会有此情况），那么就会解析错误

4. 每一条消息分为 head 和 body，head 中包含 body 的长度

在发送消息前，先约定用定长字节表示接下来数据的长度

// 最大长度，长度偏移，长度占用字节，长度调整，剥离字节数
ch.pipeline().addLast(new LengthFieldBasedFrameDecoder(1024, 0, 1, 0, 1));

客户端代码

public class HelloWorldClient {
    static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(HelloWorldClient.class);

    public static void main(String[] args) {
        NioEventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.channel(NioSocketChannel.class);
            bootstrap.group(worker);
            bootstrap.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                @Override
                protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                    log.debug("connetted...");
                    ch.pipeline().addLast(new LoggingHandler(LogLevel.DEBUG));
                    ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {
                        @Override
                        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
                            log.debug("sending...");
                            Random r = new Random();
                            char c = 'a';
                            ByteBuf buffer = ctx.alloc().buffer();
                            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                                byte length = (byte) (r.nextInt(16) + 1);
                                // 先写入长度
                                buffer.writeByte(length);
                                // 再
                                for (int j = 1; j <= length; j++) {
                                    buffer.writeByte((byte) c);
                                }
                                c++;
                            }
                            ctx.writeAndFlush(buffer);
                        }
                    });
                }
            });
            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("192.168.0.103", 9090).sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();

        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("client error", e);
        } finally {
            worker.shutdownGracefully();
        }
    }
}

协议的设计与解析

TCP/IP 中消息传输基于流的方式，没有边界。

协议的目的就是划定消息的边界，制定通信双方要共同遵守的通信规则

redis协议举例

NioEventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
byte[] LINE = {13, 10};
try {
    Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
    bootstrap.channel(NioSocketChannel.class);
    bootstrap.group(worker);
    bootstrap.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
        @Override
        protected void initChannel(SocketChannel ch) {
            ch.pipeline().addLast(new LoggingHandler());
            ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {
                // 会在连接 channel 建立成功后，会触发 active 事件
                @Override
                public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) {
                    set(ctx);
                    get(ctx);
                }
                private void get(ChannelHandlerContext ctx) {
                    ByteBuf buf = ctx.alloc().buffer();
                    buf.writeBytes("*2".getBytes());
                    buf.writeBytes(LINE);
                    buf.writeBytes("$3".getBytes());
                    buf.writeBytes(LINE);
                    buf.writeBytes("get".getBytes());
                    buf.writeBytes(LINE);
                    buf.writeBytes("$3".getBytes());
                    buf.writeBytes(LINE);
                    buf.writeBytes("aaa".getBytes());
                    buf.writeBytes(LINE);
                    ctx.writeAndFlush(buf);
                }
                private void set(ChannelHandlerContext ctx) {
                    ByteBuf buf = ctx.alloc().buffer();
                    buf.writeBytes("*3".getBytes());
                    buf.writeBytes(LINE);
                    buf.writeBytes("$3".getBytes());
                    buf.writeBytes(LINE);
                    buf.writeBytes("set".getBytes());
                    buf.writeBytes(LINE);
                    buf.writeBytes("$3".getBytes());
                    buf.writeBytes(LINE);
                    buf.writeBytes("aaa".getBytes());
                    buf.writeBytes(LINE);
                    buf.writeBytes("$3".getBytes());
                    buf.writeBytes(LINE);
                    buf.writeBytes("bbb".getBytes());
                    buf.writeBytes(LINE);
                    ctx.writeAndFlush(buf);
                }

                @Override
                public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
                    ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
                    System.out.println(buf.toString(Charset.defaultCharset()));
                }
            });
        }
    });
    ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("localhost", 6379).sync();
    channelFuture.channel().closeFuture().sync();
} catch (InterruptedException e) {
    log.error("client error", e);
} finally {
    worker.shutdownGracefully();
}

自定义协议

• 魔数，用来在第一时间判定是否是无效数据包
• 版本号，可以支持协议的升级
• 序列化算法，消息正文到底采用哪种序列化反序列化方式，可以由此扩展，例如：json、protobuf、hessian、jdk
• 指令类型，是登录、注册、单聊、群聊… 跟业务相关
• 请求序号，为了双工通信，提供异步能力
• 正文长度
• 消息正文

编解码器

根据上面的要素，设计一个登录请求消息和登录响应消息，并使用 Netty 完成收发

@Slf4j
public class MessageCodec extends ByteToMessageCodec<Message> {

    @Override
    protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, Message msg, ByteBuf out) throws Exception {
        // 1. 4 字节的魔数
        out.writeBytes(new byte[]{1, 2, 3, 4});
        // 2. 1 字节的版本,
        out.writeByte(1);
        // 3. 1 字节的序列化方式 jdk 0 , json 1
        out.writeByte(0);
        // 4. 1 字节的指令类型
        out.writeByte(msg.getMessageType());
        // 5. 4 个字节
        out.writeInt(msg.getSequenceId());
        // 无意义，对齐填充
        out.writeByte(0xff);
        // 6. 获取内容的字节数组
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
        oos.writeObject(msg);
        byte[] bytes = bos.toByteArray();
        // 7. 长度
        out.writeInt(bytes.length);
        // 8. 写入内容
        out.writeBytes(bytes);
    }

    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {
        int magicNum = in.readInt();
        byte version = in.readByte();
        byte serializerType = in.readByte();
        byte messageType = in.readByte();
        int sequenceId = in.readInt();
        in.readByte();
        int length = in.readInt();
        byte[] bytes = new byte[length];
        in.readBytes(bytes, 0, length);
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bytes));
        Message message = (Message) ois.readObject();
        log.debug("{}, {}, {}, {}, {}, {}", magicNum, version, serializerType, messageType, sequenceId, length);
        log.debug("{}", message);
        out.add(message);
    }
}

测试

EmbeddedChannel channel = new EmbeddedChannel(
    new LoggingHandler(),
    new LengthFieldBasedFrameDecoder(
        1024, 12, 4, 0, 0),
    new MessageCodec()
);
// encode
LoginRequestMessage message = new LoginRequestMessage("zhangsan", "123", "张三");
//        channel.writeOutbound(message);
// decode
ByteBuf buf = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
new MessageCodec().encode(null, message, buf);

ByteBuf s1 = buf.slice(0, 100);
ByteBuf s2 = buf.slice(100, buf.readableBytes() - 100);
s1.retain(); // 引用计数 2
channel.writeInbound(s1); // release 1
channel.writeInbound(s2);

解读

@Sharable注解

• 当handler不保存状态时，就可以安全地在多线程下被共享
• 但要注意对于编解码器类，不能继承 ByteToMessageCodec 或 CombinedChannelDuplexHandler 父类，他们的构造方法对 @Sharable 有限制
• 如果能确保编解码器不会保存状态，可以继承 MessageToMessageCodec 父类

@Slf4j
@ChannelHandler.Sharable
/**
 * 必须和 LengthFieldBasedFrameDecoder 一起使用，确保接到的 ByteBuf 消息是完整的
 */
public class MessageCodecSharable extends MessageToMessageCodec<ByteBuf, Message> {
    @Override
    protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, Message msg, List<Object> outList) throws Exception {
        ByteBuf out = ctx.alloc().buffer();
        // 1. 4 字节的魔数
        out.writeBytes(new byte[]{1, 2, 3, 4});
        // 2. 1 字节的版本,
        out.writeByte(1);
        // 3. 1 字节的序列化方式 jdk 0 , json 1
        out.writeByte(0);
        // 4. 1 字节的指令类型
        out.writeByte(msg.getMessageType());
        // 5. 4 个字节
        out.writeInt(msg.getSequenceId());
        // 无意义，对齐填充
        out.writeByte(0xff);
        // 6. 获取内容的字节数组
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
        oos.writeObject(msg);
        byte[] bytes = bos.toByteArray();
        // 7. 长度
        out.writeInt(bytes.length);
        // 8. 写入内容
        out.writeBytes(bytes);
        outList.add(out);
    }

    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {
        int magicNum = in.readInt();
        byte version = in.readByte();
        byte serializerType = in.readByte();
        byte messageType = in.readByte();
        int sequenceId = in.readInt();
        in.readByte();
        int length = in.readInt();
        byte[] bytes = new byte[length];
        in.readBytes(bytes, 0, length);
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bytes));
        Message message = (Message) ois.readObject();
        log.debug("{}, {}, {}, {}, {}, {}", magicNum, version, serializerType, messageType, sequenceId, length);
        log.debug("{}", message);
        out.add(message);
    }
}

连接假死

原因

• 网络设备出现故障，例如网卡，机房等，底层的 TCP 连接已经断开了，但应用程序没有感知到，仍然占用着资源。
• 公网网络不稳定，出现丢包。如果连续出现丢包，这时现象就是客户端数据发不出去，服务端也一直收不到数据，就这么一直耗着
• 应用程序线程阻塞，无法进行数据读写

问题

• 假死的连接占用的资源不能自动释放
• 向假死的连接发送数据，得到的反馈是发送超时

服务器端解决

• 每隔一段时间就检查这段时间内是否接收到客户端数据，没有就可以判定为连接假死

// 用来判断是不是 读空闲时间过长，或 写空闲时间过长
// 5s 内如果没有收到 channel 的数据，会触发一个 IdleState#READER_IDLE 事件
ch.pipeline().addLast(new IdleStateHandler(5, 0, 0));
// ChannelDuplexHandler 可以同时作为入站和出站处理器
ch.pipeline().addLast(new ChannelDuplexHandler() {
    // 用来触发特殊事件
    @Override
    public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception{
        IdleStateEvent event = (IdleStateEvent) evt;
        // 触发了读空闲事件
        if (event.state() == IdleState.READER_IDLE) {
            log.debug("已经 5s 没有读到数据了");
            ctx.channel().close();
        }
    }
});

客户端定时心跳

• 客户端可以定时向服务器端发送数据，只要这个时间间隔小于服务器定义的空闲检测的时间间隔，那么就能防止前面提到的误判，客户端可以定义如下心跳处理器

// 用来判断是不是 读空闲时间过长，或 写空闲时间过长
// 3s 内如果没有向服务器写数据，会触发一个 IdleState#WRITER_IDLE 事件
ch.pipeline().addLast(new IdleStateHandler(0, 3, 0));
// ChannelDuplexHandler 可以同时作为入站和出站处理器
ch.pipeline().addLast(new ChannelDuplexHandler() {
    // 用来触发特殊事件
    @Override
    public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception{
        IdleStateEvent event = (IdleStateEvent) evt;
        // 触发了写空闲事件
        if (event.state() == IdleState.WRITER_IDLE) {
            ctx.writeAndFlush(new PingMessage());
        }
    }
});