【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：

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

与三次握手不同，客户端和服务端都可以主动断开连接。

1. 服务A向服务B发送FIN报文段，表示没有数据要传输
2. 服务B收到报文段，回复一个ACK报文段，表示也没有数据需要传输了。
3. 服务B发送FIN报文段，请求关闭连接。
4. 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，可以互相不断的传输数据。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不断向服务端传输数据，B不断处理服务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，确保接收端能够准确地解析每个完整的消息。这里举例数据包分隔符。

1、设置包头包尾

现在我们模拟粘包情况，也就是客户端数据堆积。

Server

import socket
import timedef receive_message(sock):buffer = b""while True:packet = sock.recv(1024)if not packet:breakbuffer += packetprint("缓冲区数据 : "+ str(buffer))time.sleep(5)while True:start_index = buffer.find(b"StartPackage")end_index = buffer.find(b"EndPackage")if start_index != -1 and end_index != -1 and start_index < end_index:start_index += len(b"StartPackage")message = buffer[start_index:end_index]buffer = buffer[end_index + len(b"EndPackage"):]  print("收到客户端消息: "+message.decode())else:break server_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_sock.bind(('localhost', 8888))
server_sock.listen(1)client_sock, _ = server_sock.accept()receive_message(client_sock)
client_sock.close()
server_sock.close()

Client

import socket
import timedef send_message(sock, message):packet = b"StartPackage" + message.encode() + b"EndPackage"  sock.sendall(packet)sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
sock.connect(('localhost', 8888))for i in range(1,11,1):message = "Hello, world!--"+str(i)send_message(sock, message)print("发送消息 "+message)time.sleep(1)
sock.close()

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，这里利用包头包尾进行拆包，确保数据的完整性。

2、设置包长

Server

import socket
import struct
import timedef receive_message(sock):buffer = b""while True:packet = sock.recv(1024)if not packet:breakbuffer += packetprint(f"缓冲区数据 : {buffer}")while len(buffer) >= 4:  header = buffer[:4]message_length = struct.unpack('>I', header)[0]print(f"包长为: {message_length}")if len(buffer) < 4 + message_length:breakstart_index = 4end_index = 4 + message_lengthmessage = buffer[start_index:end_index]buffer = buffer[end_index:] print(f"收到客户端消息: {message.decode()} ")time.sleep(5)  server_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_sock.bind(('localhost', 8888))
server_sock.listen(1)
client_sock, _ = server_sock.accept()
receive_message(client_sock)
client_sock.close()
server_sock.close()

Client

import socket
import struct
import timedef send_message(sock, message):message_bytes = message.encode()message_length = len(message_bytes)header = struct.pack('>I', message_length)packet = header + message_bytessock.sendall(packet)sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
sock.connect(('localhost', 8888))for i in range(1, 11):message = "Hello, world!--" + str(i)send_message(sock, message)print(f"发送消息:{message}" )time.sleep(1)sock.close()

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，确定数据包的完整性。通过包长将粘包进行拆包。

3、设置包分隔符

Server

import socket
import timedef receive_message(sock):buffer = b""delimiter = b"<END>"while True:packet = sock.recv(1024)if not packet:breakbuffer += packetprint("f缓冲区数据: {buffer} ")while True:end_index = buffer.find(delimiter)if end_index != -1:  message = buffer[:end_index]  buffer = buffer[(end_index + len(delimiter)):]  print(f"收到客户端消息: { message.decode()} ")else:breaktime.sleep(5)              server_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_sock.bind(('localhost', 8888))
server_sock.listen(1)
client_sock, _ = server_sock.accept()
receive_message(client_sock)
client_sock.close()
server_sock.close()

Client

import socket
import timedef send_message(sock, message):delimiter = b"<END>"packet = message.encode() + delimiter sock.sendall(packet)sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
sock.connect(('localhost', 8888))for i in range(10):message = "Hello, world!--" + str(i)send_message(sock, message)print(f"发送消息: {message}")time.sleep(1)
sock.close()

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，保证数据的完整性。

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解析数据包，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整的情况。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。具体选择哪种方法需要根据应用场景和需求来确定。