UNIX网络编程——tcp流协议产生的粘包问题和解决方案

我们在前面曾经说过，发送端可以是一K一K地发送数据，而接收端的应用程序可以两K两K地提走数据，当然也有可能一次提走3K或6K数据，或者一次只提走几个字节的数据，也就是说，应用程序所看到的数据是一个整体，或说是一个流（stream），在底层通讯中这些数据可能被拆成很多数据包来发送，但是一个数据包有多少字节对应用程序是不可见的，因此TCP协议是面向流的协议，这也是容易出现粘包问题的原因。而UDP是面向消息的协议，每个UDP段都是一条消息，应用程序必须以消息为单位提取数据，不能一次提取任意字节的数据，这一点和TCP是很不同的。

一、粘包问题可以用下图来表示：

假设主机A发送了两个数据包M1和M2给主机B，由于主机B一次接收的字节数是不确定的，故可能存在上图的4种情况，

1、分两次接收两个数据包，一次一个，没有粘包问题；

2、一次接收了两个数据包，存在粘包问题；

3、第一个接收了M1和M2的一部分，第二次接收M2的另一部分，存在粘包问题；

4、第一次接收了M1的一部分，第二次接收M1的另一部分和M2，存在粘包问题；

当然实际的情况可能不止以上4种，可以得知的是在互联网上通信很容易造成粘包问题。

二、粘包问题产生的原因

如下图所示，产生的原因主要有3个，当应用程序write 写入的大小大于套接口发送缓冲区大小时；当进行MSS大小的tcp分段时；当以太网帧的payload大于MTU进行ip分片时；都很容易产生粘包问题。

三、粘包问题的解决方案

本质上是要在应用层维护消息与消息的边界
1、定长包
2、包尾加\r\n（ftp）
3、包头加上包体长度

4、更复杂的应用层协议

对于条目2，缺点是如果消息本身含有\r\n字符，则也分不清消息的边界，条目4不在本文讨论范围内。

对于条目1，即我们需要发送和接收定长包。因为TCP协议是面向流的，read和write调用的返回值往往小于参数指定的字节数。对于read调用（套接字标志为阻塞），如果接收缓冲区中有20字节，请求读100个字节，就会返回20。对于write调用，如果请求写100个字节，而发送缓冲区中只有20个字节的空闲位置，那么write会阻塞，直到把100个字节全部交给发送缓冲区才返回，但如果socket文件描述符有O_NONBLOCK标志，则write不阻塞，直接返回20。为避免这些情况干扰主程序的逻辑，确保读写我们所请求的字节数，我们实现了两个包装函数readn和writen，如下所示。

        ssize_t readn(int fd, void * buf, size_t count)
        {
            size_t nleft = count;
            ssize_t nread;
            char *bufp = (char *)buf;

            while (nleft > 0)
            {

                if ((nread = read(fd, bufp, nleft)) < 0)
                {

                    if (errno == EINTR)
                        continue;
                    return -1;
                }

                else if (nread == 0) //对方关闭或者已经读到eof
                    return count - nleft;

                bufp += nread;
                nleft -= nread;
            }

            return count;
        }

        ssize_t writen(int fd, const void * buf, size_t count)
        {
            size_t nleft = count;
            ssize_t nwritten;
            char *bufp = (char *)buf;

            while (nleft > 0)
            {

                if ((nwritten = write(fd, bufp, nleft)) < 0)
                {

                    if (errno == EINTR)
                        continue;
                    return -1;
                }

                else if (nwritten == 0)
                    continue;

                bufp += nwritten;
                nleft -= nwritten;
            }

            return count;

        }

需要注意的是一旦在我们的客户端/服务器程序中使用了这两个函数，则每次读取和写入的大小应该是一致的，比如设置为1024个字节，但定长包的问题在于不能根据实际情况读取数据，可能会造成网络阻塞，比如现在我们只是敲入了几个字符，却还是得发送1024个字节，造成极大的空间浪费。

此时条目3是比较好的解决办法，其实也可以算是自定义的一种简单应用层协议。比如我们可以自定义一个包体结构：

struct packet {
    int len;
    char buf[1024];
};

先接收固定的4个字节，从中得知实际数据的长度n，再调用readn 读取n个字符，这样数据包之间有了界定，且不用发送定长包浪费网络资源，是比较好的解决方案。服务器端在前面的fork程序的基础上把do_service函数更改如下：

void do_service(int conn)
{
    struct packet recvbuf;
    int n;
    while (1)
    {
        memset(&recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
        int ret = readn(conn, &recvbuf.len, 4);
        if (ret == -1)
            ERR_EXIT("read error");
        else if (ret < 4)   //客户端关闭
        {
            printf("client close\n");
            break;
        }

        n = ntohl(recvbuf.len);
        ret = readn(conn, recvbuf.buf, n);
        if (ret == -1)
            ERR_EXIT("read error");
        if (ret < n)   //客户端关闭
        {
            printf("client close\n");
            break;
        }

        fputs(recvbuf.buf, stdout);
        writen(conn, &recvbuf, 4 + n);
    }
}

客户端程序的修改与上类似，不再赘述。