【TCP协议】(3)—TCP粘包黏包

有关TCP协议之前写过两篇博客:

      1、【TCP协议】(1)—TCP协议详解

      2、【TCP协议】(2)—TCP三次握手和四次挥手

一、TCP粘包、拆包图解

假设客户端分别发送了两个数据包D1和D2给服务端,由于服务端一次读取到字节数是不确定的,故可能存在以下四种情况:

      1)服务端分两次读取到了两个独立的数据包,分别是D1和D2,没有粘包和拆包

     2)服务端一次接受到了两个数据包,D1和D2粘合在一起,称之为TCP粘包

     3)服务端分两次读取到了数据包,第一次读取到了完整的D1包和D2包的部分内容,第二次读取到了D2包的剩余内容,这称之为TCP拆包

     4)服务端分两次读取到了数据包,第一次读取到了D1包的部分内容D1_1,第二次读取到了D1包的剩余部分内容D1_2和完整的D2包。

特别要注意的是,如果TCP的接受滑窗非常小,而数据包D1和D2比较大,很有可能会发生第五种情况,即服务端分多次才能将D1和D2包完全接受,期间发生多次拆包。

 

二、 粘包、拆包发生原因

      产生原因主要有这3种:滑动窗口MSS/MTU限制Nagle算法

1、滑动窗口

      TCP流量控制主要使用滑动窗口协议,滑动窗口是接受数据端使用的窗口大小,用来告诉发送端接收端的缓存大小,以此可以控制发送端发送数据的大小,从而达到流量

控制的目的。这个窗口大小就是我们一次传输几个数据。对所有数据帧按顺序赋予编号,发送方在发送过程中始终保持着一个发送窗口,只有落在发送窗口内的帧才允许被发送;

同时接收方也维持着一个接收窗口,只有落在接收窗口内的帧才允许接收。这样通过调整发送方窗口和接收方窗口的大小可以实现流量控制。

现在来看一下滑动窗口是如何造成粘包、拆包的?

粘包:假设发送方的每256 bytes表示一个完整的报文,接收方由于数据处理不及时,这256个字节的数据都会被缓存到SO_RCVBUF(接收缓存区)中。如果接收方的SO_RCVBUF

         中缓存了多个报文,那么对于接收方而言,这就是粘包。

拆包:考虑另外一种情况,假设接收方的窗口只剩了128,意味着发送方最多还可以发送128字节,而由于发送方的数据大小是256字节,因此只能发送前128字节,等到接收方ack

后,才能发送剩余字节。这就造成了拆包。

2、MSS和MTU分片

MSS: 是Maximum Segement Size缩写,表示TCP报文中data部分的最大长度,是TCP协议在OSI五层网络模型中传输层对一次可以发送的最大数据的限制。

MTU: 最大传输单元是Maxitum Transmission Unit的简写,是OSI五层网络模型中链路层(datalink layer)对一次可以发送的最大数据的限制

当需要传输的数据大于MSS或者MTU时,数据会被拆分成多个包进行传输。由于MSS是根据MTU计算出来的,因此当发送的数据满足MSS时,必然满足MTU。

为了更好的理解,我们先介绍一下在5层网络模型中应用通过TCP发送数据的流程:

对于应用层来说,只关心发送的数据DATA,将数据写入socket在内核中的发送缓冲区SO_SNDBUF即返回,操作系统会将SO_SNDBUF中的数据取出来进行发送。

    传输层会在DATA前面加上TCP Header,构成一个完整的TCP报文。

    当数据到达网络层(network layer)时,网络层会在TCP报文的基础上再添加一个IP Header,也就是将自己的网络地址加入到报文中。

    到数据链路层时,还会加上Datalink Header和CRC。

     当到达物理层时,会将SMAC(Source Machine,数据发送方的MAC地址),DMAC(Destination Machine,数据接受方的MAC地址 )和Type域加入。

可以发现数据在发送前,每一层都会在上一层的基础上增加一些内容,下图演示了MSS、MTU在这个过程中的作用。

     MTU是以太网传输数据方面的限制,每个以太网帧都有最小的大小64bytes最大不能超过1518bytes。刨去以太网帧的帧头 (DMAC目的MAC地址48bit=6Bytes

+SMAC源MAC地址48bit=6Bytes+Type域2bytes)14Bytes和帧尾 CRC校验部分4Bytes(这个部分有时候大家也把它叫做FCS),那么剩下承载上层协议的地方也

就是Data域最大就只能有1500Bytes这个值 我们就把它称之为MTU

由于MTU限制了一次最多可以发送1500个字节,而TCP协议在发送DATA时,还会加上额外的TCP Header和Ip Header,因此刨去这两个部分,就是TCP协议一次可以

发送的实际应用数据的最大大小,也就是MSS。

      MSS长度=MTU长度-IP Header-TCP Header

TCP Header的长度是20字节,IPv4中IP Header长度是20字节,IPV6中IP Header长度是40字节,因此:在IPV4中,以太网MSS可以达到1460byte在IPV6中,以太网

MSS可以达到1440byte。

需要注意的是MSS表示的一次可以发送的DATA的最大长度,而不是DATA的真实长度。发送方发送数据时,当SO_SNDBUF中的数据量大于MSS时,操作系统会将数据进

行拆分,使得每一部分都小于MSS,这就是拆包,然后每一部分都加上TCP Header,构成多个完整的TCP报文进行发送,当然经过网络层和数据链路层的时候,还会分别

加上相应的内容。

需要注意:默认情况下,与外部通信的网卡的MTU大小是1500个字节。而本地回环地址的MTU大小为65535,这是因为本地测试时数据不需要走网卡,所以不受到1500

的限制。

3、 Nagle算法

       TCP/IP协议中,无论发送多少数据,总是要在数据(DATA)前面加上协议头(TCP Header+IP Header),同时,对方接收到数据,也需要发送ACK表示确认。

即使从键盘输入的一个字符,占用一个字节,可能在传输上造成41字节的包,其中包括1字节的有用信息和40字节的首部数据。这种情况转变成了4000%的消耗,这样的

情况对于重负载的网络来是无法接受的。

为了尽可能的利用网络带宽,TCP总是希望尽可能的发送足够大的数据。(一个连接会设置MSS参数,因此,TCP/IP希望每次都能够以MSS尺寸的数据块来发送数据)。

Nagle算法就是为了尽可能发送大块数据,避免网络中充斥着许多小数据块。

Nagle算法的基本定义是任意时刻,最多只能有一个未被确认的小段。 所谓“小段”,指的是小于MSS尺寸的数据块,所谓“未被确认”,是指一个数据块发送出去后,没有

收到对方发送的ACK确认该数据已收到。

Nagle算法的规则:

      1)如果SO_SNDBUF(发送缓冲区)中的数据长度达到MSS,则允许发送;

      2)如果该SO_SNDBUF中含有FIN,表示请求关闭连接,则先将SO_SNDBUF中的剩余数据发送,再关闭;

      3)设置了TCP_NODELAY=true选项,则允许发送。TCP_NODELAY是取消TCP的确认延迟机制,相当于禁用了Nagle 算法。

      4)未设置TCP_CORK选项时,若所有发出去的小数据包(包长度小于MSS)均被确认,则允许发送;

      5)上述条件都未满足,但发生了超时(一般为200ms),则立即发送。

有关TCP粘包黏包的解决办法,将在下一篇通过Netty代码演示。

 

参考

这篇博客基本上参考一篇博客的,感谢原作者整理,看了许多相关博客,感觉这一篇就够了。

参考博客链接:TCP粘包、拆包

 

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