【Socket】解决TCP粘包问题

一、介绍

TCP一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。
三次握手：

• 客户端发送服务端连接请求，等待服务端的回复。
  
• 服务端收到请求，服务端回复客户端，可以建立连接，并等待。
  
• 客户端收到回复并发送，确认连接。服务端收到回复。连接乐成。
  
  
  
  四次挥手：
  

与三次握手差异，客户端和服务端都可以主动断开连接。

• 服务A向服务B发送FIN报文段，表示没有数据要传输
  
• 服务B收到报文段，回复一个ACK报文段，表示也没有数据必要传输了。
  
• 服务B发送FIN报文段，请求关闭连接。
  
• 服务A收到报文段，服务B发送ACK报文段，服务B收到报文段后直接关闭连接，服务A没有收到回复，也开始断开连接。
  
  
  
  

因为复杂的三次握手和四次挥手，保证了数据的可靠性和安全性。因此也造成了更大的开销。
二、产生的问题

由于TCP的可靠性传输，可以理解为客户端和服务端之间建立了一个传输管道，可以相互不停的传输数据。但是可能由于数据的传输与接收之间存在差异。使用在服务端和客户端之间，存在一个缓冲区，用于数据的缓冲。数据传输之前会先到缓冲区。
例如服务端A和客户端B。A不停向服务端传输数据，B不停处理服务A传输的数据。服务A发送数据到缓冲区，服务B从缓冲区获取数据来处理。由于服务B处理的速度比较慢，就会导致缓冲区堆积多个数据包。当服务B处理完再取时，取出的可能是多个数据包粘在一起的数据包，这时候处理就会出现问题。

三、解决方案

设置包长、包头包尾、消息分隔符解决粘包和拆包问题。这些方法通过明确消息边界，确保接收端可以或许正确地剖析每个完备的消息。这里举例数据包分隔符。
1、设置包头包尾

如今我们模拟粘包情况，也就是客户端数据堆积。
Server

1. import socket
2. import time
4. def receive_message(sock):
5.     buffer = b""
6.     while True:
7.         packet = sock.recv(1024)
8.         if not packet:
9.             break
10.         buffer += packet
11.         print("缓冲区数据 : "+ str(buffer))
12.         time.sleep(5)
13.         while True:
14.             start_index = buffer.find(b"StartPackage")
15.             end_index = buffer.find(b"EndPackage")
16.             if start_index != -1 and end_index != -1 and start_index < end_index:
17.                 start_index += len(b"StartPackage")
18.                 message = buffer[start_index:end_index]
19.                 buffer = buffer[end_index + len(b"EndPackage"):]  
20.                 print("收到客户端消息: "+message.decode())
21.             else:
22.                 break
24. server_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
25. server_sock.bind(('localhost', 8888))
26. server_sock.listen(1)
28. client_sock, _ = server_sock.accept()
30. receive_message(client_sock)
31. client_sock.close()
32. server_sock.close()

复制代码

Client

1. import socket
2. import time
4. def send_message(sock, message):
5.     packet = b"StartPackage" + message.encode() + b"EndPackage"  
6.     sock.sendall(packet)
8. sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
9. sock.connect(('localhost', 8888))
11. for i in range(1,11,1):
12.     message = "Hello, world!--"+str(i)
13.     send_message(sock, message)
14.     print("发送消息 "+message)
15.     time.sleep(1)
16. sock.close()

复制代码

根据服务端输出可以看到，缓冲区已经出现粘包，多个数据包堆积到一起，这里使用包头包尾进行拆包，确保数据的完备性。
2、设置包长

Server

1. import socket
2. import struct
3. import time
5. def receive_message(sock):
6.     buffer = b""
7.     while True:
8.         packet = sock.recv(1024)
9.         if not packet:
10.             break
11.         buffer += packet
12.         print(f"缓冲区数据 : {buffer}")
13.         
14.         while len(buffer) >= 4:  
15.             header = buffer[:4]
16.             message_length = struct.unpack('>I', header)[0]
17.             print(f"包长为: {message_length}")
19.             if len(buffer) < 4 + message_length:
20.                 break
22.             start_index = 4
23.             end_index = 4 + message_length
24.             message = buffer[start_index:end_index]
25.             buffer = buffer[end_index:]
26.             print(f"收到客户端消息: {message.decode()} ")
27.         time.sleep(5)  
29. server_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
30. server_sock.bind(('localhost', 8888))
31. server_sock.listen(1)
32. client_sock, _ = server_sock.accept()
33. receive_message(client_sock)
34. client_sock.close()
35. server_sock.close()

复制代码

Client

1. import socket
2. import struct
3. import time
5. def send_message(sock, message):
6.     message_bytes = message.encode()
7.     message_length = len(message_bytes)
8.     header = struct.pack('>I', message_length)
9.     packet = header + message_bytes
10.     sock.sendall(packet)
12. sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
13. sock.connect(('localhost', 8888))
15. for i in range(1, 11):
16.     message = "Hello, world!--" + str(i)
17.     send_message(sock, message)
18.     print(f"发送消息:{message}" )
19.     time.sleep(1)
21. sock.close()

复制代码

可以看到由于处理的时间过长，导致数据堆积在缓冲区形成粘包。通过在消息头部设置包长，确定数据包的完备性。通过包长将粘包进行拆包。
3、设置包分隔符

Server

1. import socket
2. import time
4. def receive_message(sock):
5.     buffer = b""
6.     delimiter = b"<END>"
7.     while True:
8.         packet = sock.recv(1024)
9.         if not packet:
10.             break
11.         buffer += packet
12.         print("f缓冲区数据: {buffer} ")
13.         
14.         while True:
15.             end_index = buffer.find(delimiter)
16.             if end_index != -1:  
17.                 message = buffer[:end_index]  
18.                 buffer = buffer[(end_index + len(delimiter)):]  
19.                 print(f"收到客户端消息: { message.decode()} ")
20.             else:
21.                 break
22.         time.sleep(5)              
24. server_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
25. server_sock.bind(('localhost', 8888))
26. server_sock.listen(1)
27. client_sock, _ = server_sock.accept()
28. receive_message(client_sock)
29. client_sock.close()
30. server_sock.close()

复制代码

Client

1. import socket
2. import time
4. def send_message(sock, message):
5.     delimiter = b"<END>"
6.     packet = message.encode() + delimiter
7.     sock.sendall(packet)
9. sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
10. sock.connect(('localhost', 8888))
12. for i in range(10):
13.     message = "Hello, world!--" + str(i)
14.     send_message(sock, message)
15.     print(f"发送消息: {message}")
16.     time.sleep(1)
17. sock.close()

复制代码

可以看到也是出现了数据堆积，粘包，但是最后打印的结果是正确的。通过使用数据包分隔符，保证数据的完备性。
四、总结

TCP粘包问题是由于TCP的流式传输特点导致的，在传输过程中多个数据包可能会粘在一起。粘包问题会导致接收端无法正确剖析数据包，因为接收端无法区分哪些字节属于哪个数据包，可能会出现数据包内容混乱或不完备的情况。为了解决这个问题，可以使用固定长度消息、消息分隔符、消息头加消息体、应用层协议等方法。具体选择哪种方法必要根据应用场景和需求来确定。

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