TCP粘包、拆包与通信协议详解

在TCP编程中，我们使用协议(protocol)来解决粘包和拆包问题。本文将详解TCP粘包和半包产生的原因，以及如何通过协议来解决粘包、拆包问题。让你知其然，知其所以然。

1 TCP粘包、拆包图解

由于TCP传输协议面向流的，没有消息保护边界。一方发送的多个报文可能会被合并成一个大的报文进行传输，这就是粘包;也可能发送的一个报文，可能会被拆分成多个小报文，这就是拆包。

下图演示了粘包、拆包的过程，client分别发送了两个数据包D1和D2给server，server端一次读取到字节数是不确定的，因此可能可能存在以下几种情况：

关于这几种情况说明如下：

server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

server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

server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

Server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。

由于发送方发送的数据，可能会发生粘包、拆包的情况。这样，对于接收端就难于分辨出来了，因此必须提供科学的机制来解决粘包、拆包问题，这就是协议的作用。

在介绍协议之前，我们先了解一下粘包、拆包产生的原因。

2 粘包、拆包产生的原因

粘包、拆包问题的产生原因笔者归纳为以下3种：

• socket缓冲区与滑动窗口
• MSS/MTU限制
• Nagle算法

2.1 socket缓冲区与滑动窗口

每个TCP socket在内核中都有一个发送缓冲区(SO_SNDBUF )和一个接收缓冲区(SO_RCVBUF)，TCP的全双工的工作模式以及TCP的滑动窗口便是依赖于这两个独立的buffer的填充状态。

SO_SNDBUF：

进程发送的数据的时候假设调用了一个send方法，最简单情况(也是一般情况)，将数据拷贝进入socket的内核发送缓冲区之中，然后send便会在上层返回。换句话说，send返回之时，数据不一定会发送到对端去(和write写文件有点类似)，send仅仅是把应用层buffer的数据拷贝进socket的内核发送buffer中。

SO_RCVBUF：

把接受到的数据缓存入内核，应用进程一直没有调用read进行读取的话，此数据会一直缓存在相应socket的接收缓冲区内。再啰嗦一点，不管进程是否读取socket，对端发来的数据都会经由内核接收并且缓存到socket的内核接收缓冲区之中。read所做的工作，就是把内核缓冲区中的数据拷贝到应用层用户的buffer里面，仅此而已。

滑动窗口：

TCP连接在三次握手的时候，会将自己的窗口大小(window size)发送给对方，其实就是SO_RCVBUF指定的值。之后在发送数据的时，发送方必须要先确认接收方的窗口没有被填充满，如果没有填满，则可以发送。

每次发送数据后，发送方将自己维护的对方的window size减小，表示对方的SO_RCVBUF可用空间变小。

当接收方处理开始处理SO_RCVBUF 中的数据时，会将数据从socket 在内核中的接受缓冲区读出，此时接收方的SO_RCVBUF可用空间变大，即window size变大，接受方会以ack消息的方式将自己最新的window size返回给发送方，此时发送方将自己的维护的接受的方的window size设置为ack消息返回的window size。

此外，发送方可以连续的给接受方发送消息，只要保证对方的SO_RCVBUF空间可以缓存数据即可，即window size>0。当接收方的SO_RCVBUF被填充满时，此时window size=0，发送方不能再继续发送数据，要等待接收方ack消息，以获得最新可用的window size。

2.2 MSS/MTU分片

MTU (Maxitum Transmission Unit,最大传输单元)是链路层对一次可以发送的最大数据的限制。MSS(Maxitum Segment Size,最大分段大小)是TCP报文中data部分的最大长度，是传输层对一次可以发送的最大数据的限制。

要了解MSS/MTU，首先需要回顾一下TCP/IP五层网络模型模型。

数据在传输过程中，每经过一层，都会加上一些额外的信息：

• 应用层：只关心发送的数据DATA，将数据写入socket在内核中的缓冲区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(20字节)
• 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。IPv4中IP Header长度是20字节，IPV6中IP Header长度是40字节。
• 链路层：加上Datalink Header和CRC。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。SMAC+DMAC+Type+CRC总长度为18字节。
• 物理层：进行传输

在回顾这个基本内容之后，再来看MTU和MSS。MTU是以太网传输数据方面的限制，每个以太网帧最大不能超过1518bytes。刨去以太网帧的帧头(DMAC+SMAC+Type域)14Bytes和帧尾(CRC校验)4Bytes，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。

MSS是在MTU的基础上减去网络层的IP Header和传输层的TCP Header的部分，这就是TCP协议一次可以发送的实际应用数据的最大大小。

MSS = MTU(1500) -IP Header(20 or 40)-TCP Header(20) 

由于IPV4和IPV6的长度不同，在IPV4中，以太网MSS可以达到1460byte;在IPV6中，以太网MSS可以达到1440byte。

（编辑：青岛站长网）

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