【Net】TCP粘包与半包

TCP粘包与半包

在网络编程中，粘包和半包问题是常见的 TCP 协议特有问题，尤其在基于流的传输协议中（如 TCP），它们常导致接收端无法正确还原发送端原本的一条条消息。

1 背景

TCP 是“字节流”协议，不保留消息边界，它只是一个字节流协议，只保证字节的顺序和完整性，但不关心应用层每条消息的边界。这就导致了“粘包”和“半包”的出现。

2 粘包（packet stick）

定义：多条数据包被粘在一起，接收端一次接收到了多条消息数据。

举例：

客户端连续发送两条消息：

[hello][world]

由于 TCP 是流式协议，可能在接收端变成：

[helloworld]

此时接收端无法确定 “hello” 和 “world” 的边界。

3 半包（packet split）

定义：一条完整的数据被拆成了几部分接收，接收端一次只能收到其中的一部分。

举例：

客户端发送一条 10 字节的消息：

[helloworld]

可能接收端第一次 recv 只收到：

[hello]

下一次再收到：

[world]

也就是说，一条消息被拆成了“半包”。

4 为什么会出现粘包/半包？

• TCP 特性导致：
  1. TCP 是字节流，不维护消息边界；
  2. Nagle 算法 会将小包合并发送（导致粘包）；
  3. 接收端 buffer 缓冲区大小不确定，一次 read/recv 可能读不到完整数据（导致半包）；
  4. 操作系统的发送/接收策略 也会影响包的合并与拆分。

5 如何解决？

• 通用思路：在应用层实现消息边界的识别机制

  以下几种常见方案可以避免粘包/半包问题：

  1. 定长协议

     • 每条消息固定长度（例如每条消息都是 128 字节）。
     • 优点：实现简单；
     • 缺点：浪费带宽，不适用于变长消息。

  2. 添加分隔符

     • 每条消息结尾加特定分隔符（如 "\r\n"）。
     • 接收端通过查找分隔符来拆分消息；
     • 缺点：消息内容中不能出现分隔符。

  3. 长度前缀协议（最常用）

     • 每条消息前加一个固定长度的字段表示消息体长度（如 4 字节整数）：

       [4字节长度][消息体]
       

       示例：

       [00000005][hello]
       [00000005][world]
       

       • 接收端读取前 4 字节判断消息长度，再读取对应长度的消息体，精确拆包。

6 示例

C++ 实现的长度前缀协议收发逻辑示例，适用于基于 TCP 的客户端或服务器程序，用于解决粘包/半包问题。

• 协议格式

[4字节消息长度][消息体内容]
- 消息长度为 uint32_t（网络字节序）

• 核心发送/接收逻辑

发送端逻辑（附加长度前缀）

#include <arpa/inet.h> // htonl
#include <string>
#include <unistd.h>    // write

bool sendMessage(int sockfd, const std::string& message) {
    uint32_t len = htonl(message.size()); // 转为网络字节序
    std::string packet;
    packet.append(reinterpret_cast<const char*>(&len), sizeof(len)); // 4字节长度
    packet.append(message); // 实际消息体

    size_t totalSent = 0;
    while (totalSent < packet.size()) {
        ssize_t sent = write(sockfd, packet.data() + totalSent, packet.size() - totalSent);
        if (sent <= 0) return false;
        totalSent += sent;
    }
    return true;
}

接收端逻辑（支持粘包/半包）

#include <arpa/inet.h> // ntohl
#include <unistd.h>    // read
#include <vector>
#include <string>

bool recvExact(int sockfd, void* buffer, size_t length) {
    size_t total = 0;
    while (total < length) {
        ssize_t n = read(sockfd, (char*)buffer + total, length - total);
        if (n <= 0) return false; // 连接关闭或出错
        total += n;
    }
    return true;
}

bool recvMessage(int sockfd, std::string& outMessage) {
    uint32_t len_net;
    if (!recvExact(sockfd, &len_net, sizeof(len_net))) return false;

    uint32_t len = ntohl(len_net);
    if (len > 10 * 1024 * 1024) return false; // 限制最大消息长度，防止攻击

    std::vector<char> buffer(len);
    if (!recvExact(sockfd, buffer.data(), len)) return false;

    outMessage.assign(buffer.begin(), buffer.end());
    return true;
}

客户端完整用法

std::string msg = "hello world";
sendMessage(sockfd, msg);

std::string received;
if (recvMessage(sockfd, received)) {
    std::cout << "Received: " << received << std::endl;
}

说明与扩展建议

7 总结