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摘要:前情提要 四层网络模型各司其职,消息(SDU)在进入每一层时都会多加一个报头(PCI),这个PCI记录着该SDU的一些关键统计信息。SDU+PCI合并起来就组成一个完整的消息,简称为PDU 链路层:帧(Frame)头部作用
前情提要 四层网络模型各司其职,消息(SDU)在进入每一层时都会多加一个报头(PCI),这个PCI记录着该SDU的一些关键统计信息。SDU+PCI合并起来就组成一个完整的消息,简称为PDU 链路层:帧(Frame)头部作用 源 MAC 地址 和 目的 MAC 地址,用于在局域网内通信唯一标识设备,实现数据在物理链路上的传输 网络层:数据包(Packet)头部作用 包含 源IP 地址和 目的IP 地址,用户在互联网中实现端到端通信 传输层:段(Segment)/数据报(Datagram)头部作用 包含 源端口号 和 目的端口号,用于标识同一主机上的不同应用程序 应用层:消息(Message)头部作用 应用层协议根据具体需求定义头部格式,用于实现特定的业务逻辑 详见https://www.cnblogs.com/lmy5215006/p/18838393 数据切片 把互联网比作一条水管,那么这条水管是有一定的粗细的,而水管的粗细决定了流量的大小。因此,当我们发送"Hello World"时,当水管粗时,可以一次性发送完毕,当水管细时,就需要拆解成'He','llo','Wo','rld'。 决定"水管粗细"的由底层的数据链路层决定,为一个MTU(通常为1500Byte),当网络层(IP)数据包<=1500byte时,一个数据包即可完成发送,如果>1500byte就需要拆分为两个数据包。 MTU(Maximum Transmission Unit,最大传输单元) 举个例子:MTU为1500byte,IP头为20Byte,IP层传输了一个3000Byte的数据包 第一个数据包 IP Header:20byte Payload:1480byte Total:1500byte 第二个数据包 IP Header:20byte Payload:3000byte-1480byte=1520byte (超过MTU,需要再次分片,实际1480) Total:1500byte 第三个数据包 IP Header:20byte Payload:40byte Total:60byte 由此可以看到,一次传输被拆分成了三次,每个分配重复携带IP Header,增加了额外的传输冗余,且分配需要重组,增加了延迟与丢包风险。 MTU与MSS 为了缓解上述的问题,传输层的TCP协议通过MSS(Maximum Segment Size,最大段大小)来避免IP分片。 三次握手协商 三次握手时,双方通过SYN报文交换MSS值,确保Segment 不超过MSS。 MSS=MTU-IP Header-TCP Header,比如MTU=1500,那么MSS=1500-20-20=1460byte。 路径MTU发现 IP协议通过ICMP协议探测传输路径中的最小MTU,动态调整数据包大小以减少分片。 通过动态协商MTU,使得IP数据包使用不会超过MTU的值,从而避免了分片。不会出现MTU=1500,IP数据包3000Byte的现象。 粘包 人生就像打电话,不是你挂就是我挂。 切片也是,你链路层倒是爽了,不用拆包了,但传输层就遭殃了,因为总要有人负重前行。 TCP是一种面向连接,可靠的,基于字节流的传输层通信协议,因为基于字节流的特点,数据由01组成,所以当我们在互联网中传输"hello World"时,是以0101010101这种格式的字节流发送。 这些二进制数据,对于接收端来说,不知道要接收多少才能组成一个消息,因此其本质是应用层消息边界在TCP流中消失。 粘包发生的原因如下: 数据包过小 当Segment特别小,没有达到MSS的标准,TCP的Nagle算法会原地等待200ms,等下一个包一起发送。 数据包过大 如果下一个包来之后,超过了MSS的标准,则会拆包。 接收端读取数据不及时 接收端处理不及时,导致在Buff中好几个Segment的先后粘在一起,导致接收端无法区分。 说白了,粘包不是TCP的设计缺陷,而是一种取舍。 眼见为实 如何解决粘包 既然原理知道了,那么解决它也很简单. 消息定长 每个数据包的长度固定,那么接收端只要固定读取特定长度的二进制流即可区分。 分割符标记 通过特殊标记作为头/尾,比如EOF,回车,0xffffff等。当接收端处理到特殊标记时,就知道消息读取完了。 头部包含长度字段 一般会配合上面的分割符标记来加强,在Header中加入消息长度,然后就如同消息定长一样读取即可。 如果某个数据里正好有EOF怎么办? 还有标志位作为兜底,发送端在发送时加入16校验和(对完整数据进行CRC),以供接收端校验。 如同文件的MD5一样,下载完成后校验MD5,避免错误。 眼见为实 消息定长 //方法1,消息定长,假设消息固定长度为10 if(length==10) { var temp = new byte[length]; Array.Copy(buffer, 0, temp, 0, length); this.Dispatcher.Invoke(() => { Message.Add(Encoding.ASCII.GetString(temp)); }); } 分割符标记 //方法2,分割符标记,假设分割符是| var eof = Encoding.UTF8.GetBytes("|"); int eofIndex = Array.IndexOf(buffer, eof[0], 0, length); if (eofIndex > 0) { var temp = new byte[length]; Array.Copy(buffer, 0, temp, 0, length); this.Dispatcher.Invoke(() => { Message.Add(Encoding.ASCII.GetString(temp).Substring(0,eofIndex)); }); } 头部包含长度字段 //方法3,头部包含长度 var temp = new byte[length]; Array.Copy(buffer, 0, temp, 0, length); var str= Encoding.UTF8.GetString(temp); var headerLength = int.Parse(str.Substring(0, 2)); this.Dispatcher.Invoke(() => { Message.Add(str.Substring(2, headerLength)) ; }); 注意,这里只是示例,只是简单的把黏在一起的数据拆分,并把多余的丢弃。正式环境还有很多要额外处理的。 FAQ UDP会有粘包问题吗? 不会,原因如下: UDP 不存在合并数据的机制 Datagram是独立的数据单元,是最小单位,包含完整的Head和Payload。接收方要设置合理的缓冲区来接收,否则数据会丢失。 当Datagram,网络层(IP层)会对其分片,但传输层本身不处理分片。 Datagram边界明确 UDP 协议保证接收方可以通过数据报的长度字段(头部中 Length 字段)准确区分每个数据包的起始和结束。 简单来说,UDP自己都不保证消息消息完整,就算发生粘包又怎么样呢? 网络层会有粘包问题吗? 虽然我们在传输层明确了MSS会小于MTU(1500byte),避免了IP层的大包分片,但还会有漏网之鱼。比如在动态路径MTU发现中,发现某个路由器MTU只有500byte,那么IP层也需要对数据包进行切片。 再此之后会重新协商,传输层会调整MSS为500byte。 回到正题,那么网络层会有粘包问题吗? 答案是不会,再次强调一遍粘包本质是应用层消息边界在TCP流中消失。网络层只负责数据切片以及数据重组,它不关心里面的内容是什么,只是数据的搬运工,因此不会发生粘包。 关闭Nagle算法会减少粘包吗? 关闭Nagle算法会减少粘包,因为小的数据包会立即发送,而不是等200ms。 但治标不治本,接收方处理速度慢也是粘包的一个原因。 源码,包含了完整的粘包处理 MainWindow <Window x:Class="WpfSocketServer.MainWindow" xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation" xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml" xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008" xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006" xmlns:local="clr-namespace:WpfSocketServer" mc:Ignorable="d" Title="WPF Socket 服务器(粘包处理)" Height="500" Width="800"> <Grid Margin="10"> <Grid.RowDefinitions> <RowDefinition Height="Auto"/> <RowDefinition Height="*"/> <RowDefinition Height="Auto"/> </Grid.RowDefinitions> <!-- 控制按钮 --> <StackPanel Grid.Row="0" Orientation="Horizontal" Margin="0 0 0 10"> <Button x:Name="btnStart" Content="启动服务器" Width="100" Click="BtnStart_Click" Margin="0 0 10 0" Padding="5"/> <TextBlock x:Name="txtStatus" Text="状态:未启动" VerticalAlignment="Center"/> <Button Grid.Column="0" Width="100" Margin="10 0 0 0" Padding="5" Content="清空" Click="Button_Click"> </Button> </StackPanel> <!-- 消息显示列表 --> <ListView Grid.Row="1" ItemsSource="{Binding Messages}" Margin="0 5 0 5"> <ListView.View> <GridView> <GridViewColumn Header="时间" Width="120" DisplayMemberBinding="{Binding Time}"/> <GridViewColumn Header="来源" Width="150" DisplayMemberBinding="{Binding Source}"/> <GridViewColumn Header="内容" Width="450" DisplayMemberBinding="{Binding Content}"/> </GridView> </ListView.View> </ListView> <!-- 状态提示 --> <TextBlock Grid.Row="2" Text="注:使用长度前缀法(4字节头部)处理粘包,支持多客户端连接" Foreground="Gray" FontSize="12"/> </Grid> </Window> MainWindow.xaml.cs using System.Windows; using System.Net; using WpfApp1; namespace WpfSocketServer { public partial class MainWindow : Window { private readonly MainViewModel _viewModel = new MainViewModel(); private SocketServer _socketServer; public MainWindow() { InitializeComponent(); DataContext = _viewModel; // 绑定 ViewModel } // 启动/停止服务器按钮点击事件 private async void BtnStart_Click(object sender, RoutedEventArgs e) { if (_socketServer == null || !_socketServer.IsRunning()) { btnStart.Content = "停止服务器"; // 启动服务器(监听 127.0.0.1:6666) _socketServer = new SocketServer(_viewModel); await _socketServer.StartAsync(new IPEndPoint(IPAddress.Loopback, 6666)); } else { // 停止服务器 _socketServer.Stop(); btnStart.Content = "启动服务器"; } } /// <summary> /// 清空ViewList /// </summary> /// <param name="sender"></param> /// <param name="e"></param> private void Button_Click(object sender, RoutedEventArgs e) { if (_viewModel.Messages?.Count > 0) { _viewModel.Messages.Clear(); } else { MessageBox.Show("已经为空", "tips"); } } } // 扩展:检查服务器是否运行(添加到 SocketServer 类) public static class SocketServerExtensions { public static bool IsRunning(this SocketServer server) { return server?._isRunning ?? false; } } } MessageItem using System; using System.Collections.Generic; using System.Collections.ObjectModel; using System.ComponentModel; using System.Linq; using System.Runtime.CompilerServices; using System.Text; using System.Threading.Tasks; namespace WpfApp1 { // 消息项模型(用于 ListView 显示) public class MessageItem : INotifyPropertyChanged { public DateTime Time { get; set; } // 时间戳 public string? Source { get; set; } // 客户端来源(IP:Port) public string? Content { get; set; } // 消息内容 public event PropertyChangedEventHandler PropertyChanged; protected virtual void OnPropertyChanged([CallerMemberName] string propertyName = null) { PropertyChanged?.Invoke(this, new PropertyChangedEventArgs(propertyName)); } } // 主 ViewModel public class MainViewModel : INotifyPropertyChanged { private ObservableCollection<MessageItem> _messages = new ObservableCollection<MessageItem>(); // 消息集合(绑定到 ListView) public ObservableCollection<MessageItem> Messages { get => _messages; set { _messages = value; OnPropertyChanged(); } } public event PropertyChangedEventHandler PropertyChanged; protected virtual void OnPropertyChanged([CallerMemberName] string propertyName = null) { PropertyChanged?.Invoke(this, new PropertyChangedEventArgs(propertyName)); } } } WpfSocketServer using System; using System.Collections.Generic; using System.Net; using System.Net.Sockets; using System.Text; using System.Threading.Tasks; using System.Windows; using WpfApp1; namespace WpfSocketServer { public class SocketServer : IDisposable { private Socket _serverSocket; private readonly MainViewModel _viewModel; public bool _isRunning; public SocketServer(MainViewModel viewModel) { _viewModel = viewModel; } // 启动服务器(异步) public async Task StartAsync(IPEndPoint endPoint) { if (_isRunning) return; try { _serverSocket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp); _serverSocket.Bind(endPoint);//绑定端口 _serverSocket.Listen(5); // 最大等待连接数 _isRunning = true; UpdateStatus("服务器已启动,等待客户端连接..."); // 异步接受客户端连接(循环) while (_isRunning) { Socket clientSocket = await _serverSocket.AcceptAsync(); var clientInfo = clientSocket.RemoteEndPoint?.ToString(); UpdateMessage(new MessageItem { Time = DateTime.Now, Source = clientInfo, Content = "客户端已连接" }); // 为每个客户端启动独立接收任务 _ = Task.Run(() => HandleClientAsync(clientSocket)); } } catch (Exception ex) { if (_isRunning) // 非主动停止时显示错误 UpdateStatus($"服务器异常: {ex.Message}"); } } /// <summary> /// 核心逻辑: /// 当滑动窗口的数据不足以组成一个完整的数据包时(header+body),暂时保留当前数据,等候后续追加。 /// </summary> /// <param name="clientSocket"></param> /// <returns></returns> private async Task HandleClientAsync(Socket clientSocket) { var clientInfo = clientSocket.RemoteEndPoint?.ToString(); List<byte> receiveBuffer = new List<byte>(); // 处理粘包的缓冲区,可以使用Memory<byte>来优化,我偷个懒。 try { byte[] buffer = new byte[1024]; while (clientSocket.Connected) { // 从内核态的滑动窗口中读取字节流到缓冲区 int readBytesLength = await clientSocket.ReceiveAsync(buffer, SocketFlags.None); if (readBytesLength == 0) break; UpdateMessage(new MessageItem { Time = DateTime.Now, Source = clientInfo, Content = $"本次接收原始字节数: {readBytesLength}(可能包含多个包)" }); receiveBuffer.AddRange(new ArraySegment<byte>(buffer, 0, readBytesLength)); while (receiveBuffer.Count >= 4) { // 解析head,得出body长度 byte[] headerBytes = receiveBuffer.GetRange(0, 4).ToArray(); if (BitConverter.IsLittleEndian) Array.Reverse(headerBytes); int bodyBytesLength = BitConverter.ToInt32(headerBytes, 0); //数据如果不足够,则退出循环,保留当前数据,等待下次接收新数据后再次尝试解析 if (receiveBuffer.Count < (4 + bodyBytesLength)) break; // 解析body byte[] bodyBytes = receiveBuffer.GetRange(4, bodyBytesLength).ToArray(); string message = Encoding.UTF8.GetString(bodyBytes); //数据如果足够,则提取数据、更新 UI,并从缓冲区移除已处理的数据。 UpdateMessage(new MessageItem { Time = DateTime.Now, Source = clientInfo, Content = $"解析后数据包: {message}" }); // 移除已处理的数据 receiveBuffer.RemoveRange(0, 4 + bodyBytesLength); } } // 客户端断开连接 UpdateMessage(new MessageItem { Time = DateTime.Now, Source = clientInfo, Content = "客户端断开连接" }); } catch (Exception ex) { UpdateMessage(new MessageItem { Time = DateTime.Now, Source = clientInfo, Content = $"接收异常: {ex.Message}" }); } finally { clientSocket.Close(); } } // 安全更新 UI 消息(通过 Dispatcher) private void UpdateMessage(MessageItem message) { Application.Current.Dispatcher.Invoke(() => { _viewModel.Messages.Add(message); }); } // 更新状态文本 private void UpdateStatus(string text) { Application.Current.Dispatcher.Invoke(() => { // 假设窗口中 txtStatus 是 TextBlock,需在窗口后台绑定此方法 // 实际使用中可通过 ViewModel 暴露状态属性 if (Application.Current.MainWindow is MainWindow mainWindow) mainWindow.txtStatus.Text = $"状态:{text}"; }); } // 停止服务器 public void Stop() { _isRunning = false; _serverSocket?.Close(); UpdateStatus("服务器已停止"); } // 释放资源 public void Dispose() { Stop(); } } } 产生粘包的Client using System.Net.Sockets; using System.Net; using System.Text; namespace SocketReceiveClient { internal class Program { static void Main() { var client = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp); client.Connect(IPAddress.Loopback, 6666); // 连接你的 WPF 服务器 Console.WriteLine("已连接服务器,开始发送粘包数据..."); // 连续发送 3 个小数据包(间隔 50ms,触发 TCP 粘包) for (int i = 0;i<=100;i++) { SendPacket(client, $"{Guid.NewGuid()}"); } client.Close(); Console.WriteLine("数据发送完成,按任意键退出..."); Console.ReadKey(); } // 发送带长度头的数据包(与服务器协议一致) static void SendPacket(Socket client, string message) { byte[] rawData = Encoding.UTF8.GetBytes(message); byte[] lengthHeader = BitConverter.GetBytes(rawData.Length); if (BitConverter.IsLittleEndian) Array.Reverse(lengthHeader); // 大端模式 byte[] sendBuffer = new byte[4 + rawData.Length]; Buffer.BlockCopy(lengthHeader, 0, sendBuffer, 0, 4); Buffer.BlockCopy(rawData, 0, sendBuffer, 4, rawData.Length); client.Send(sendBuffer); Console.WriteLine($"已发送: {message}"); } } }