golang解决TCP粘包问题

什么是TCP粘包问题以及为什么会产生TCP粘包,本文不加讨论。本文使用golang的bufio.Scanner来实现自定义协议解包。

协议数据包定义

本文模拟一个日志服务器,该服务器接收客户端传到的数据包并显示出来

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type Package struct {
Version [2]byte // 协议版本,暂定V1
Length int16 // 数据部分长度
Timestamp int64 // 时间戳
HostnameLength int16 // 主机名长度
Hostname []byte // 主机名
TagLength int16 // 标签长度
Tag []byte // 标签
Msg []byte // 日志数据
}

协议定义部分没有什么好讲的,根据具体的业务逻辑定义即可。

数据打包

由于TCP协议是语言无关的协议,所以直接把协议数据包结构体发送到TCP连接中也是不可能的,只能发送字节流数据,所以需要自己实现数据编码。所幸golang提供了binary来帮助我们实现网络字节编码。

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func (p *Package) Pack(writer io.Writer) error {
var err error
err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Version)
err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Length)
err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Timestamp)
err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.HostnameLength)
err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Hostname)
err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.TagLength)
err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Tag)
err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Msg)
return err
}

Pack方法的输出目标为io.Writer,有利于接口扩展,只要实现了该接口即可编码数据写入。binary.BigEndian是字节序,本文暂时不讨论,有需要的读者可以自行查找资料研究。

数据解包

解包需要将TCP数据包解析到结构体中,接下来会讲为什么需要添加几个数据无关的长度字段。

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func (p *Package) Unpack(reader io.Reader) error {
var err error
err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Version)
err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Length)
err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Timestamp)
err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.HostnameLength)
p.Hostname = make([]byte, p.HostnameLength)
err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Hostname)
err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.TagLength)
p.Tag = make([]byte, p.TagLength)
err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Tag)
p.Msg = make([]byte, p.Length-8-2-p.HostnameLength-2-p.TagLength)
err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Msg)
return err
}

由于主机名、标签这种数据是不固定长度的,所以需要两个字节来标识数据长度,否则读取的时候只知道一个总的数据长度是无法区分主机名、标签名、日志数据的。

数据包的粘包问题解决

上文只是解决了编码/解码问题,前提是收到的数据包没有产生粘包问题,解决粘包就是要正确分割字节流中的数据。一般有以下做法:

  1. 定长分隔(每个数据包最大为该长度) 缺点是数据不足时会浪费传输资源
  2. 特定字符分隔(如\r\n) 缺点是如果正文中有\r\n就会导致问题
  3. 在数据包中添加长度字段(本文采用的)

golang提供了bufio.Scanner来解决粘包问题。

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scanner := bufio.NewScanner(reader) // reader为实现了io.Reader接口的对象,如net.Conn
scanner.Split(func(data []byte, atEOF bool) (advance int, token []byte, err error) {
if !atEOF && data[0] == 'V' { // 由于我们定义的数据包头最开始为两个字节的版本号,所以只有以V开头的数据包才处理
if len(data) > 4 { // 如果收到的数据>4个字节(2字节版本号+2字节数据包长度)
length := int16(0)
binary.Read(bytes.NewReader(data[2:4]), binary.BigEndian, &length) // 读取数据包第3-4字节(int16)=>数据部分长度
if int(length)+4 <= len(data) { // 如果读取到的数据正文长度+2字节版本号+2字节数据长度不超过读到的数据(实际上就是成功完整的解析出了一个包)
return int(length) + 4, data[:int(length)+4], nil
}
}
}
return
})
// 打印接收到的数据包
for scanner.Scan() {
scannedPack := new(Package)
scannedPack.Unpack(bytes.NewReader(scanner.Bytes()))
log.Println(scannedPack)
}

本文的核心就在于scanner.Split方法,该方法用来解析TCP数据包

完整源码

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package main

import (
"bufio"
"bytes"
"encoding/binary"
"fmt"
"io"
"log"
"os"
"time"
)

type Package struct {
Version [2]byte // 协议版本
Length int16 // 数据部分长度
Timestamp int64 // 时间戳
HostnameLength int16 // 主机名长度
Hostname []byte // 主机名
TagLength int16 // Tag长度
Tag []byte // Tag
Msg []byte // 数据部分长度
}

func (p *Package) Pack(writer io.Writer) error {
var err error
err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Version)
err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Length)
err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Timestamp)
err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.HostnameLength)
err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Hostname)
err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.TagLength)
err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Tag)
err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, &p.Msg)
return err
}
func (p *Package) Unpack(reader io.Reader) error {
var err error
err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Version)
err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Length)
err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Timestamp)
err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.HostnameLength)
p.Hostname = make([]byte, p.HostnameLength)
err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Hostname)
err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.TagLength)
p.Tag = make([]byte, p.TagLength)
err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Tag)
p.Msg = make([]byte, p.Length-8-2-p.HostnameLength-2-p.TagLength)
err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, &p.Msg)
return err
}

func (p *Package) String() string {
return fmt.Sprintf("version:%s length:%d timestamp:%d hostname:%s tag:%s msg:%s",
p.Version,
p.Length,
p.Timestamp,
p.Hostname,
p.Tag,
p.Msg,
)
}

func main() {
hostname, err := os.Hostname()
if err != nil {
log.Fatal(err)
}

pack := &Package{
Version: [2]byte{'V', '1'},
Timestamp: time.Now().Unix(),
HostnameLength: int16(len(hostname)),
Hostname: []byte(hostname),
TagLength: 4,
Tag: []byte("demo"),
Msg: []byte(("现在时间是:" + time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05"))),
}
pack.Length = 8 + 2 + pack.HostnameLength + 2 + pack.TagLength + int16(len(pack.Msg))

buf := new(bytes.Buffer)
// 写入四次,模拟TCP粘包效果
pack.Pack(buf)
pack.Pack(buf)
pack.Pack(buf)
pack.Pack(buf)
// scanner
scanner := bufio.NewScanner(buf)
scanner.Split(func(data []byte, atEOF bool) (advance int, token []byte, err error) {
if !atEOF && data[0] == 'V' {
if len(data) > 4 {
length := int16(0)
binary.Read(bytes.NewReader(data[2:4]), binary.BigEndian, &length)
if int(length)+4 <= len(data) {
return int(length) + 4, data[:int(length)+4], nil
}
}
}
return
})
for scanner.Scan() {
scannedPack := new(Package)
scannedPack.Unpack(bytes.NewReader(scanner.Bytes()))
log.Println(scannedPack)
}
if err := scanner.Err(); err != nil {
log.Fatal("无效数据包")
}
}

写在最后

golang作为一门强大的网络编程语言,实现自定义协议是非常重要的,实际上实现自定义协议也不是很难,以下几个步骤:

  1. 数据包编码
  2. 数据包解码
  3. 处理TCP粘包问题
  4. 断线重连(可以使用心跳实现)(非必须)

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