6行代码解决golang TCP粘包

什么是TCP粘包问题以及为何会产生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便可。

数据打包

因为TCP协议是语言无关的协议，因此直接把协议数据包结构体发送到TCP链接中也是不可能的，只能发送字节流数据，因此须要本身实现数据编码。所幸golang提供了binary来帮助咱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，只要实现了该接口便可编码数据写入。binary.BigEndian是字节序，本文暂时不讨论，有须要的读者能够自行查找资料研究。

数据解包

解包须要将TCP数据包解析到结构体中，接下来会讲为何须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
}

因为主机名、标签这种数据是不固定长度的，因此须要两个字节来标识数据长度，不然读取的时候只知道一个总的数据长度是没法区分主机名、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。通常有如下作法：

1. 定长分隔(每一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rn) 缺点是若是正文中有rn就会致使问题
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' { // 因为咱们定义的数据包头最开始为两个字节的版本号，因此只有以V开头的数据包才处理
        if len(data) > 4 { // 若是收到的数据>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) { // 若是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(("如今时间是:" + 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做为一门强大的网络编程语言，实现自定义协议是很是重要的，实际上实现自定义协议也不是很难，如下几个步骤：

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(可使用心跳实现)(非必须)

本文引用自我本身的博客golang解决TCP粘包问题