粘包、半包和Netty中的自定义帧解码器间的关系

        之前学习Netty的时候学到自定义编解码器这一部分后就没再继续学习，同时对于这部分知识学习不深入。一直有个误区：自定义编码以及解码服务器就能够解决TCP作为流式协议传输（无消息边界）导致的粘包、半包问题。实则上面这句话有非常大的问题，今日再学习了粘包、半包以及自定义编解码器的关系，纠正已有部分错误认识。

        之前写过一篇Netty中的粘包、半包以及另一篇自定义编解码器的文章：

Netty中半包粘包的产生与处理：短连接、固定长度、固定分隔符、预设长度；redis、http协议举例；网络数据的发送和接收过程_discarded inbound message pooledslicedbytebuf-CSDN博客

自定义协议编解码：Codec（encode\decode）及Sharble注解详解_自定义解码-CSDN博客 

        借此机会对上面内容进行补充以及纠正。

粘包现象以及产生原因

        现象：发送 abc def，接收 abcdef。

        原因：应用层、滑动窗口、Nagle算法。

• 应用层：接收方 ByteBuf 设置太大（Netty 默认 1024）

• 滑动窗口：假设发送方 256 bytes 表示一个完整报文，但由于接收方处理不及时且窗口大小足够大，这 256 bytes 字节就会缓冲在接收方的滑动窗口中，当滑动窗口中缓冲了多个报文就会粘包

• Nagle 算法：会造成粘包

        Nagle算法：也称为延迟确认算法（Delayed Acknowledgment Algorithm）。

        主要目的：减少因频繁发送小数据包而造成的网络拥塞。在TCP连接中，如果应用程序发送了一系列小的数据包，这些数据包可能会在网络中引起额外的开销。Nagle算法通过以下机制来优化数据传输：

        实现方式：

1. 数据合并：当应用程序连续发送小的数据包时，Nagle算法会将这些数据包合并为一个较大的数据包，然后一起发送。这样可以减少发送的数据包数量，从而减少网络拥塞。

2. 拥塞窗口：TCP使用拥塞窗口（Congestion Window）来控制发送数据的速率。Nagle算法会根据拥塞窗口的大小来决定是否延迟发送数据包。

3. 确认等待：当TCP接收到数据包时，它会发送一个确认（ACK）给发送方。Nagle算法会延迟发送这个确认，直到有足够的数据来填充一个最大大小的TCP段，或者直到一个特定的时间间隔过去。

• 即使发送一个字节，也需要加入 tcp 头和 ip 头，也就是总字节数会使用 41 bytes，非常不经济。因此为了提高网络利用率，tcp 希望尽可能发送足够大的数据，这就是 Nagle 算法产生的缘由

• 该算法是指发送端即使还有应该发送的数据，但如果这部分数据很少的话，则进行延迟发送

  • 如果 SO_SNDBUF 的数据达到 MSS，则需要发送

  • 如果 SO_SNDBUF 中含有 FIN（表示需要连接关闭）这时将剩余数据发送，再关闭

  • 如果 TCP_NODELAY = true，则需要发送

  • 已发送的数据都收到 ack 时，则需要发送

  • 上述条件不满足，但发生超时（一般为 200ms）则需要发送

  • 除上述情况，延迟发送

半包现象以及产生原因 

        现象：发送 abcdef，接收 abc def

        原因：应用层、滑动窗口、MSS限制。

• 应用层：接收方 ByteBuf 小于实际发送数据量

• 滑动窗口：假设接收方的窗口只剩了 128 bytes，发送方的报文大小是 256 bytes，这时放不下了，只能先发送前 128 bytes，等待 ack 后才能发送剩余部分，这就造成了半包

• MSS 限制：当发送的数据超过 MSS 限制后，会将数据切分发送，就会造成半包

        MSS和MTU的关系：

         MTU(maximum transmission unit)：链路层对一次能够发送的最大数据有限制，这个限制称之为MTU，不同的链路设备的MTU值也不相同。

        MSS(maximum segment size)最大段长度：它是MTU刨去tcp头和ip头后剩余能够作为数据传输的字节数。

• ipv4 tcp 头占用 20 bytes，ip 头占用 20 bytes，因此以太网 MSS 的值为 1500 - 40 = 1460

• TCP 在传递大量数据时，会按照 MSS 大小将数据进行分割发送

• MSS 的值在三次握手时通知对方自己 MSS 的值，然后在两者之间选择一个小值作为 MSS

粘包、半包解决方案

• 短连接：能够很好解决粘包，对于半包解决不是很友好（当需要发送字节数超过能够发送最大字节数时就会产生半包）。
• 固定长度：如果发送数据达不到预设长度，需要填充特定字符，浪费带宽。
• 固定分隔符：对于消息中含有固定分隔符的消息不友好，无法识别这个分隔符是消息体还是消息边界。
• 预设长度：每一条消息包含head以及body，head中包含body的长度。

        具体实现方案参考上面博客链接。

自定义编解码器和粘包、半包的关系

        自定义编解码器就是上面提到的第四种实现方案（head[length] body），貌似感觉非常正确不存在问题。

        对于粘包，自定义解码器能够很好处理，此时接收到的消息总量肯定大于需要解析的消息长度，此时不会产生问题。

        对于半包，如果此时发送方一条消息由于某种原因划分为两次发送，此时第一次发送后接收到接收到消息后，首先解析出消息头中的长度，直接使用解析到的长度提取对应的字节数，然而此时并不能提取到对应长度的字节数，此时就会反序列化失败。并不能处理此种情况的半包。

        测试代码：

        下面红色方框中框住的内容即为通过Netty的slice将一条encode后的消息（Message->ByteBuf）划分为两个ByteBuf。如果此时没有上面方框框住的帧解码器，直接调用一次slice后获取到s1，就对此ByteBuf执行channel.writeInbound(s1)，由于消息体中没有长度的字节，此时解码失败。

        如果添加上第一个红色方框选中的 LengthFieldBasedFrameDecoder，按照上述方式执行两次slice后依次对于两个ByteBuf执行channel.writeInbound()，此时第一个执行成功后并不会立即解码，而是在第二个channel.writeInbound()执行成功后再解码。

        LengthFieldBasedFrameDecoder：是Netty网络编程的一部分，属于解码器（Decode）的一部分，主要作用将接收到的字节流划分为独立的帧（frames），对于处理基于长度的协议（例如某些二进制协议或自定义文本协议）非常有用。

        添加此组件后，当需要解码的消息长度没有达到指定长度时不会解码，会暂存在缓冲区中，继续等待消息的接收，当达到指定长度后才会将获取指定Length对应的字节数进行Decode。

LengthFieldBasedFrameDecoder详解

• 基于长度字段的帧解码：这个解码器假设每个消息（或帧）的开始部分包含一个或多个字节，这些字节指示了随后消息体的长度。例如，一个消息可能以一个32位整数开始，表示后续数据的长度。

• 自动帧拆分：LengthFieldBasedFrameDecoder 会自动从接收到的字节流中拆分出完整的帧。它根据长度字段的值来确定帧的边界，并将完整的帧传递给下一个处理环节。

• 处理粘包和半包问题：在网络编程中，经常会遇到粘包（多个帧粘连在一起）和半包（一个帧被分成多次接收）的问题。LengthFieldBasedFrameDecoder 通过长度字段来正确地拆分帧，从而解决了这些问题。、

• 可配置的长度字段：开发者可以指定长度字段的偏移量、长度，以及是否包含长度字段本身的长度。这使得它能够适应不同的协议设计。

• 灵活的解码策略：除了基本的长度字段解码，LengthFieldBasedFrameDecoder 还支持一些高级特性，如调整最大帧长度、处理过长的帧等。