UNIX网络编程-卷1_TCP粘包问题解决方法

news2024/10/1 15:10:57

这篇文件记录流协议粘包问题。首先记录什么是粘包，其次介绍粘包产生的原因，最后给出粘包的解决方法。

1 流协议与粘包

在这里插入图片描述
第一种情况：主机B一次读一个M消息 ，不会产生粘包；
第二种情况：主机B一次读M1+M2个消息
第三种情况：主机B第一次读M1消息，第二次读m2前半段消息；第二M2后半段消息
第四种情况：主机B第一次读M1前半段，第二次读M1后半段，第三次读M2消息
后三种情况都会产生粘包。

2 粘包产生原因

在这里插入图片描述
1 应用层通过套接字发送到TCP缓冲区，如果消息缓冲区不能容纳这一次消息，也就是消息被分割了，产生了粘包。
2 如果TCP传输的段，MSS，又会对缓冲区的数据进行分割；
3 在IP层进程分片，可能产生粘包。
4 TCP 流量控制，拥塞控制。

3 粘包解决方案

定包长
包尾加\r\n（ftp）
包头加上包体长度：包头 + 包体长度，使用一个结构体，前面4个字节存放包头，后面存放消息。
本篇笔记包头加上包体长度方式解决粘包问题。
下面的代码实现的readn和writen.

服务端：


/**
 * 支持多个客户端链接
 *  每次监听到链接，都会创建一个新的进程
 *
 */

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define ERR_EXIT(m)         \
    do                      \
    {                       \
        perror(m);          \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while (0)
// Andy : 自定义发送数据的协议
struct packet
{
    int len;
    char buf[1024];
};

ssize_t readn(int fd, void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft = count;     // 剩余要读取的字节数
    ssize_t nread;            // 表示接收到的字节数
    char *bufp = (char *)buf; // 按字节，继续向后读

    while (nleft > 0)
    {
        nread = read(fd, bufp, nleft);
        if (nread < 0)
        {
            if (errno == EINTR) // 被中断
            {
                continue;
            }
            else
            {
                return -1;
            }
        }
        else if (nread == 0) // Andy: 如果对方关闭链接，返回读取到的字节数量
        {
            return count - nleft;
        }

        bufp += nread;  // 从新位置开始读；
        nleft -= nread; // 剩余要读取的字节数
    }

    return count;
}

// 向缓冲区中写入固定count数量的字节
ssize_t writen(int fd, const void *buf, size_t count) // const void *buf 要写入内存的数据
{
    size_t nleft = count; // 剩余要写入的字节数
    ssize_t nwritten;     // 已写入到缓冲区中的字节数量
    char *bufp = (char *)buf;

    while (nleft > 0)
    {
        nwritten = write(fd, bufp, nleft);
        if (nwritten < 0)
        {
            if (errno == EINTR)
            {
                continue;
            }
            else
            {
                return -1;
            }
        }
        else if (nwritten == 0) // 缓冲区满了，继续写
        {
            continue;
        }

        bufp += nwritten;  // 从字符串+nwritten位置继续写
        nleft -= nwritten; // 剩余要写入的
    }

    return count;
}

void do_service(int conn)
{
    // Andy: 分两次接收，先接受定长4字节，再接收固定数量的
    struct packet recvbuf;
    while (1)
    {
        memset(&recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
        // Andy: 先读取4个字节的包长度
        int ret = readn(conn, &recvbuf.len, 4); // 将读取到的字节放入recvbuf.len
        if (ret == -1)
        {
            ERR_EXIT("read");
        }
        else if (ret < 4)
        {
            printf("client close\n");
            break;
        }
        int n = ntohl(recvbuf.len); // Andy: 转为网络字节序
        // 第二次读
        ret = readn(conn, recvbuf.buf, n);
        if (ret == -1)
        {
            ERR_EXIT("read");
        }
        else if (ret < n)
        {
            printf("client close\n");
            break;
        }

        fputs(recvbuf.buf, stdout);
        writen(conn, &recvbuf, 4 + n);
    }
}

int main()
{
    // 第一步， 创建套接字
    int listenfd;
    int ret = 0;
    listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    if (listenfd < 0)
    {
        ERR_EXIT("socket");
    }

    // 第二步：将ip绑定到套接字
    // int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(5888);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); // inet_addr 将 ip 转为 uint
    ret = bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
    if (ret < 0)
    {
        ERR_EXIT("bind");
    }
    // 第三步：将主动文件描述符变为被动文件描述符
    // int listen(int sockfd, int backlog);
    // SOMAXCONN 半链接状态最大长度
    if (listen(listenfd, SOMAXCONN) < 0)
    {
        ERR_EXIT("listen");
    }

    // 第四步，从已完成队列中得到一个链接，并将已完成队列中删除这条链接,如果已链接队列是空，则阻塞
    // int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

    struct sockaddr_in peeraddr; // 存放对端Ip地址。
    socklen_t peerlen = sizeof(peeraddr);

    int conn;

    // 第五步，获取数据

    pid_t pid;
    //
    while (1)
    {
        // 循环监听，当有一个客户端链接时候，创建一个子进程，与客户端建立链接，并发送数据。
        conn = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&peeraddr, &peerlen);
        if (conn < 0)
        {
            ERR_EXIT("connect");
        }
        printf("%s,%d\n", inet_ntoa(peeraddr.sin_addr), ntohs(peeraddr.sin_port));

        pid = fork();
        if (pid == -1)
        {
            ERR_EXIT("fork");
        }
        if (pid == 0)
        {
            // 子进程不需要监听 被动套接字
            close(listenfd);
            do_service(conn);
            exit(EXIT_SUCCESS); // 退出，并关闭文件描述符
        }
        else // 父进程不需要链接conn
            close(conn);
    }

    return 0;
}

客户端：

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define ERR_EXIT(m)         \
    do                      \
    {                       \
        perror(m);          \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while (0)

struct packet
{
    int len;
    char buf[1024];
};

ssize_t readn(int fd, void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft = count;     // 剩余要读取的字节数
    ssize_t nread;            // 表示接收到的字节数
    char *bufp = (char *)buf; // 按字节，继续向后读

    while (nleft > 0)
    {
        nread = read(fd, bufp, nleft);
        if (nread < 0)
        {
            if (errno == EINTR) // 被中断
            {
                continue;
            }
            else
            {
                return -1;
            }
        }
        else if (nread == 0) // Andy: 如果对方关闭链接，返回读取到的字节数量
        {
            return count - nleft;
        }

        bufp += nread;  // 从新位置开始读；
        nleft -= nread; // 剩余要读取的字节数
    }

    return count;
}

// 向缓冲区中写入固定count数量的字节
ssize_t writen(int fd, const void *buf, size_t count) // const void *buf 要写入内存的数据
{
    size_t nleft = count; // 剩余要写入的字节数
    ssize_t nwritten;     // 已写入到缓冲区中的字节数量
    char *bufp = (char *)buf;

    while (nleft > 0)
    {
        nwritten = write(fd, bufp, nleft);
        if (nwritten < 0)
        {
            if (errno == EINTR)
            {
                continue;
            }
            return -1;
        }
        else if (nwritten == 0) // 缓冲区满了，继续写
        {
            continue;
        }

        bufp += nwritten;  // 从字符串+nwritten位置继续写
        nleft -= nwritten; // 剩余要写入的
    }

    return count;
}

int main()
{
    // 第一步，建立套接字
    int sockfd;
    if ((sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0)
        ERR_EXIT("socket");

    // 第二步：connect 链接
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(5888);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
        ERR_EXIT("connect");

    // 第三步：
    struct packet sendbuf;
    struct packet recvbuf;
    memset(&sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
    memset(&recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));

    int n;
    while (fgets(sendbuf.buf, sizeof(sendbuf.buf), stdin) != NULL)
    {
        n = strlen(sendbuf.buf); //
        sendbuf.len = htonl(n);  // 字节序转换
        writen(sockfd, &sendbuf, 4 + n);

        // 分两次读取：先读4字节的字符串长度，然后再读字符串
        int ret = readn(sockfd, &recvbuf.len, 4);
        if (ret == -1)
        {
            ERR_EXIT("connect");
        }
        else if (ret < 4) // 链接关闭
        {
            printf("client close\n");
            break;
        }

        // 第二次读取
        n = ntohl(recvbuf.len);
        ret = readn(sockfd, recvbuf.buf, n);
        if (ret == -1)
        {
            ERR_EXIT("connect");
        }
        else if (ret < n)
        {
            printf("client close\n");
            break;
        }

        fputs(recvbuf.buf, stdout);
        memset(&sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
        memset(&recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

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