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Socket 如何处理粘包

开发技术 开发技术 2022-11-25 次浏览

Socket 如何处理粘包

什么是粘包什么是半包?

粘包:
比如发送了AA BB 两条消息,但是另一方接收到的消息却是AAB,像这种一次性读取了俩条数据的情况就是粘包
半包:
比如发送的消息是ABC时,另一方收到的是AB和C俩条消息,这就是半包

为什么会有这种问题呢?

这是因为 TCP 是面向连接的传输协议,TCP 传输的数据是以流的形式,而流数据是没有明确的开始结尾边界,所以 TCP 也没办法判断哪一段流属于一个消息。
粘包的主要原因:
发送方每次写入数据 < 套接字(Socket)缓冲区大小;
接收方读取套接字(Socket)缓冲区数据不够及时。
半包的主要原因:
发送方每次写入数据 > 套接字(Socket)缓冲区大小;
发送的数据大于协议的 MTU (Maximum Transmission Unit,最大传输单元),因此必须拆包。

知识点:什么是缓冲区?

缓冲区又称为缓存,它是内存空间的一部分。也就是说,在内存空间中预留了一定的存储空间,这些存储空间用来缓冲输入或输出的数据,这部分预留的空间就叫做缓冲区。

缓冲区的优势以文件流的写入为例,如果我们不使用缓冲区,那么每次写操作 CPU 都会和低速存储设备也就是磁盘进行交互,那么整个写入文件的速度就会受制于低速的存储设备(磁盘)。但如果使用缓冲区的话,每次写操作会先将数据保存在高速缓冲区内存上,当缓冲区的数据到达某个阈值之后,再将文件一次性写入到磁盘上。因为内存的写入速度远远大于磁盘的写入速度,所以当有了缓冲区之后,文件的写入速度就被大大提升了。

如何解决它呢?

下面我们将用.Net7做示例

1.实现项目创建 我们需要创建三个项目
分别是 Share SocketClient SocketServer

如图下图所示

Socket 如何处理粘包

2.实现SocketServer项目

创建一个SocketServer的Class 然后写入以下代码

using System.Collections.Concurrent;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;

namespace SocketServer;

public class SocketServer : IDisposable
{
    /// <summary>
    /// 是否被释放
    /// </summary>
    private bool _disposable;
    /// <summary>
    /// 当前的server的Socket对象
    /// </summary>
    private readonly Socket _socket;

    /// <summary>
    /// 所有的SocketManager的管理集合
    /// 所有客户端都在这里进行管理
    /// </summary>
    private ConcurrentBag<SocketManager> SocketManagers = new ConcurrentBag<SocketManager>();
    /// <summary>
    /// 创建SocketServer对象
    /// </summary>
    /// <param name="ip">监听的ip</param>
    /// <param name="port">监听的端口</param>
    public SocketServer(string ip, int port = 1314)
    {
        _socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

        var ipAddress = IPAddress.Parse(ip);
        _socket.Bind(new IPEndPoint(ipAddress, port));
        _socket.Listen();
    }

    public void Dispose()
    {
        _disposable = true;
    }

    /// <summary>
    /// 开始等待客户端链接
    /// </summary>
    public void Start()
    {
        _ = Task.Factory.StartNew(async () =>
        {
            while (!_disposable)
            {
                var socket = await _socket.AcceptAsync();
                SocketManagers.Add(new SocketManager(socket));
            }
        });
    }
}

我们看到创建了一个Socket并且监听了指定ip和端口

然后Start()方法是将链接的客户端添加到SocketManager集合管理

在看看SocketManager的方法

using Share;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;

namespace SocketServer;

public class SocketManager : IDisposable
{
    /// <summary>
    /// 是否被释放
    /// </summary>
    private bool _disposable = false;

    /// <summary>
    /// 客户端的Socket链接对象
    /// </summary>
    private readonly Socket ClientSocket;

    /// <summary>
    /// 接收缓冲区大小
    /// 默认8kb
    /// </summary>
    private int MessageBufferSize;
    public SocketManager(Socket clientSocket, int? messageBufferSize = null)
    {
        ClientSocket = clientSocket;
        MessageBufferSize = messageBufferSize ?? 1024 * 8;
        Start();
    }

    public void Dispose()
    {
        _disposable = true;
    }

    public void Start()
    {
        _ = Task.Factory.StartNew(async () =>
        {
            while (!_disposable)
            {
                //设置了缓冲区
                var buffer = new byte[MessageBufferSize];

                // 接送的数据不一定有缓冲区那么大
                var len = await ClientSocket.ReceiveAsync(buffer);

                // 获取协议定义的长度
                var length = ByteUtil.BytesToInt(buffer.AsSpan(0, 4).ToArray(), 0);
			   // 注:请自行修改地址
                var file = File.Create("E:\迅雷下载\cs.zip");

                // 删掉协议的长度的四个字节
                await file.WriteAsync(buffer.AsSpan(4).ToArray());

                length -= buffer.AsSpan(4).ToArray().Length;

                while ((len = await ClientSocket.ReceiveAsync(buffer))>0)
                {
                    await file.WriteAsync(buffer);
                    length -= len;
                    if(length <= 0)
                    {
                        Console.WriteLine("获取完成");
                        file.Close();
                        break;
                    }
                }
            }
        });
    }
}

当前SocketManager是接收Socket客户端发送的文件并且进行写入到文件中 我们看到ByteUtil.BytesToInt的方法

这个方法可能有些人有疑惑了这是个什么了

首先我们需要解决粘包问题 我们就一开始在发送和接收的时候就定义好了整个发送的消息体,其实可以理解为协议

为了解决掉socket粘包 需要自定义一个通讯协议处理粘包

首先定义消息结构

消息结构由俩部分组成

第一部分由四个字节的消息长度组成 第二部分由消息的整体数据组成这个消息的长度一定是第一部分的所表示的长度

长度 具体消息
xxxx xxxxxxxxx01xxx

这个四个字节就是这条消息的长度(不包括当前四个字节)一般来说四个字节是够用的,这样整个消息体的组成结构就是 0000 0000000000 这样的,前面四个字节一定是整个消息的长度 后面的就是数据

然后需要定义字节转换int和int转换byte的一个方法如下代码

ByteUtil:当前方法是为了协议的长度转换

namespace Share
{
    /// <summary>
    /// 转换协议字节帮助类
    /// </summary>
    public class ByteUtil
    {
        /// <summary>
        /// byte数组转换int
        /// </summary>
        /// <param name="src"></param>
        /// <param name="offset"></param>
        /// <returns></returns>
        public static int BytesToInt(byte[] src, int offset)
        {
            int value;
            value = (int)((src[offset] & 0xFF)
                    | ((src[offset + 1] & 0xFF) << 8)
                    | ((src[offset + 2] & 0xFF) << 16)
                    | ((src[offset + 3] & 0xFF) << 24));
            return value;
        }

        /// <summary>
        /// int转byte数组
        /// </summary>
        /// <param name="value"></param>
        /// <returns></returns>
        public static byte[] IntToBytes(int value)
        {
            byte[] src = new byte[4];
            src[3] = (byte)((value >> 24) & 0xFF);
            src[2] = (byte)((value >> 16) & 0xFF);
            src[1] = (byte)((value >> 8) & 0xFF);
            src[0] = (byte)(value & 0xFF);
            return src;
        }
    }
}

好我们在看看SocketClient:

using System.Collections.Concurrent;
using System.Net.Sockets;
using System.Net;
using System.Text;
using Share;

namespace SocketClient;

public class SocketClient : IDisposable
{
    /// <summary>
    /// 是否释放
    /// </summary>
    private bool _disposable;
    /// <summary>
    /// 当前链接socket对象
    /// </summary>
    private readonly Socket _socket;

    /// <summary>
    /// 创建SocketClient对象
    /// </summary>
    /// <param name="ip">需要连接的ip</param>
    /// <param name="port">需要连接的端口</param>
    public SocketClient(string ip, int port = 1314)
    {
        _socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

        _socket.Connect(new IPEndPoint(IPAddress.Parse(ip), port));
    }

    public void Dispose()
    {
        _disposable = true;
    }


    /// <summary>
    /// 发送信息到服务器
    /// </summary>
    /// <param name="value"></param>
    public async Task SendByteAsync(byte[] buffer)
    {
        await SocketExtension.SendByteAsync(_socket, buffer);
    }
}

然后在看SocketClient的Program的方法就是我们的Client的启动类

// 创建SocketClient对象 连接到127.0.0.1的SocketServer服务
var socketClient = new SocketClient.SocketClient("127.0.0.1");
// 读取一个zip文件
var fileStream = File.ReadAllBytes("C:\Users\Administrator\Downloads\Files.zip");
// 然后调用SendByteAsync
await socketClient.SendByteAsync(fileStream);
// 暂停
Console.ReadKey();

SocketExtension.SendByteAsync内部方法:

using System;
using System.Net.Sockets;
using System.Threading.Tasks;

namespace Share
{
    public static class SocketExtension
    {
        /// <summary>
        /// 发送定义的协议数据结构
        /// </summary>
        /// <param name="socket"></param>
        /// <param name="value"></param>
        /// <returns></returns>
        public static async Task<int> SendByteAsync(this Socket socket, byte[] value)
        {
            // 定义消息和消息长度的总和的字节数组 
            // 由于定义的消息长度需要占用四个字节所以这个加4
            var bytes = new byte[4 + value.Length];
            Array.ConstrainedCopy(ByteUtil.IntToBytes(value.Length), 0, bytes, 0, 4);
            Array.ConstrainedCopy(value, 0, bytes, 4, value.Length);
            return await socket.SendAsync(bytes, SocketFlags.None);
        }
    }
}

其实这个方法就是将发送的数据组成我们的协议体 前四个字节就是我们的数据长度 后面就是我们的数据了

SocketServer的Program的类:

Console.WriteLine("启动SocketServer中");
// 监听127.0.0.1的端口
var socketServer = new SocketServer.SocketServer("127.0.0.1");
// 启动客户端接收发送接收的服务
socketServer.Start();

Console.ForegroundColor = ConsoleColor.DarkBlue;
Console.WriteLine("启动SocketServer完成");

Console.ReadKey();

然后我们依次启动SocketServer控制台

在启动SocketClient控制台

这个时候我们就可以观察到SocketClient往SocketServer发送的消息了

Socket 如何处理粘包

我们可以将断点打到这个结束位置

等数据传输完成我们就可以发现进入断点


                //设置了缓冲区
                var buffer = new byte[MessageBufferSize];

                // 接送的数据不一定有缓冲区那么大
                var len = await ClientSocket.ReceiveAsync(buffer);

                // 获取协议定义的长度
                var length = ByteUtil.BytesToInt(buffer.AsSpan(0, 4).ToArray(), 0);

                var file = File.Create("E:\迅雷下载\cs.zip");

                // 删掉协议的长度的四个字节
                await file.WriteAsync(buffer.AsSpan(4).ToArray());

                length -= buffer.AsSpan(4).ToArray().Length;

                while ((len = await ClientSocket.ReceiveAsync(buffer))>0)
                {
                    await file.WriteAsync(buffer);
                    length -= len;
                    if(length <= 0)
                    {
                        Console.WriteLine("获取完成");
                        file.Close();
                        break;
                    }
                }

这一块代码主要是做的角色接收第一次的消息体然后解析前面四个字节的协议得到后面需要处理的数据的长度

只要找到数据的长度就可以做到出来粘包的问题因为我们可以吧数据拆分出去,将其不粘包,

这就做到了拆包

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程序员灯塔
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