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

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：

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。

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：

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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