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6行代码快速解决golang TCP粘包问题

2018年03月15日  | 移动技术网IT编程  | 我要评论

前言

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。

下面话不多说了，来一起看看详细的介绍吧。

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

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。

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。

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：

  • 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
  • 特定字符分隔(如rn) 缺点是如果正文中有rn就会导致问题
  • 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。

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

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：

  • 数据包编码
  • 数据包解码
  • 处理tcp粘包问题
  • 断线重连(可以使用心跳实现)(非必须)

总结

以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，如果有疑问大家可以留言交流，谢谢大家对移动技术网的支持。

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