Dubbo处理TCP拆包粘包问题

Dubbo处理TCP拆包粘包问题

在TCP网络传输工程中，由于TCP包的缓存大小限制，每次请求数据有可能不在一个TCP包里面，或者也可能多个请求的数据在一个TCP包里面。那么如果合理的decode接受的TCP数据很重要，需要考虑TCP拆包和粘包的问题。我们知道在Netty提供了各种Decoder来解决此类问题，比如LineBasedFrameDecoder,LengthFieldBasedFrameDecoder等等，但是这些都是处理一些通用简单的协议栈，并不能处理高度自定义的协议栈。由于dubbo协议是自定义协议栈，并且包含消息头和消息体两部分，而消息头中包含消息类型、协议版本、协议魔数以及playload长度等信息。所以使用Netty自带的处理方案可能无法满足Dubbo解析自身协议的需求，所以需要Dubbo自己来处理，那自己处理，就需要自己处理TCP的拆包和粘包的问题。这里就对Dubbo处理此类问题进行探讨，从而加深自己对它的理解。

说明

此处所描述的协议是dubbo协议，其他的协议比如http，webservice等协议不是这里讨论范围。并且这里使用的通信框架以Netty来讲解，Mina以及grizzly也不在种类讨论范围。

NettyCodecAdapter

NettyCodecAdapter是对dubbo协议解析的入口，里面包含decoder和encoder两部分，而TCP的拆包和粘包主要是decoder部分，所以encoder这里不进行讨论。在NettyCodecAdapter中的decoder是由InternalDecoder来实现，它的父类是Netty的SimpleChannelUpstreamHandler可以接受所有inbound消息，那么就可以对接受的消息进行decode。这里需要说明一下对于某一个Channel都有一个私有的InternalDecoder对象，并不是和其他的Channel共享，这里就避免了并发问题，所以在InternalDecoder里面可以用单线程的方式去看待，这样就比较容易理解。

InternalDecoder

每个channel的inbound消息都会发送到InternalDecoder的messageReceived方法，而dubbo会先将接受的消息缓存到InternalDecoder的buffer属性中，这个变量很重要，后面会讨论。下面是messageReceived方法中将接受的消息负载到buffer实现。

<!--lang:java-->
  private classInternalDecoderextendsSimpleChannelUpstreamHandler {
 
    private com.alibaba.dubbo.remoting.buffer.ChannelBuffer buffer =
        com.alibaba.dubbo.remoting.buffer.ChannelBuffers.EMPTY_BUFFER;
 
    @Override
    public void messageReceived(ChannelHandlerContext ctx, MessageEvent event) throws Exception {
        Object o = event.getMessage();
        if (! (o instanceof ChannelBuffer)) {
            ctx.sendUpstream(event);
            return;
        }
 
        ChannelBuffer input = (ChannelBuffer) o;
        int readable = input.readableBytes();
        if (readable <= 0) {
            return;
        }
 
        com.alibaba.dubbo.remoting.buffer.ChannelBuffer message;
        if (buffer.readable()) {
            if (buffer instanceof DynamicChannelBuffer) {
                buffer.writeBytes(input.toByteBuffer());
                message = buffer;
            } else {
                int size = buffer.readableBytes() + input.readableBytes();
                message = com.alibaba.dubbo.remoting.buffer.ChannelBuffers.dynamicBuffer(
                    size > bufferSize ? size : bufferSize);
                message.writeBytes(buffer, buffer.readableBytes());
                message.writeBytes(input.toByteBuffer());
            }
        } else {
            message = com.alibaba.dubbo.remoting.buffer.ChannelBuffers.wrappedBuffer(
                input.toByteBuffer());
        }
 
        NettyChannel channel = NettyChannel.getOrAddChannel(ctx.getChannel(), url, handler);
        Object msg;
        int saveReaderIndex;
 
        try {
            // decode object.
            do {
                saveReaderIndex = message.readerIndex();
                try {
                    msg = codec.decode(channel, message);
                } catch (IOException e) {
                    buffer = com.alibaba.dubbo.remoting.buffer.ChannelBuffers.EMPTY_BUFFER;
                    throw e;
                }
                if (msg == Codec2.DecodeResult.NEED_MORE_INPUT) {
                    message.readerIndex(saveReaderIndex);
                    break;
                } else {
                    if (saveReaderIndex == message.readerIndex()) {
                        buffer = com.alibaba.dubbo.remoting.buffer.ChannelBuffers.EMPTY_BUFFER;
                        throw new IOException("Decode without read data.");
                    }
                    if (msg != null) {
                        Channels.fireMessageReceived(ctx, msg, event.getRemoteAddress());
                    }
                }
            } while (message.readable());
        } finally {
            if (message.readable()) {
                message.discardReadBytes();
                buffer = message;
            } else {
                buffer = com.alibaba.dubbo.remoting.buffer.ChannelBuffers.EMPTY_BUFFER;
            }
            NettyChannel.removeChannelIfDisconnected(ctx.getChannel());
        }
    }
 
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, ExceptionEvent e) throws Exception {
        ctx.sendUpstream(e);
    }
}

首先是判断当前decoder对象的buffer中是否有可以读取的消息，如果有则进行合并，并且把对象引用赋予message局部变量，所以message则获取了当前channel的inbound消息。得到inbound消息之后，那么接下来就是对协议的解析了。

<!--lang:java-->
 do {
                saveReaderIndex = message.readerIndex();
                try {
                    msg = codec.decode(channel, message);
                } catch (IOException e) {
                    buffer = com.alibaba.dubbo.remoting.buffer.ChannelBuffers.EMPTY_BUFFER;
                    throw e;
                }
                if (msg == Codec2.DecodeResult.NEED_MORE_INPUT) {
                    message.readerIndex(saveReaderIndex);
                    break;
                } else {
                    if (saveReaderIndex == message.readerIndex()) {
                        buffer = com.alibaba.dubbo.remoting.buffer.ChannelBuffers.EMPTY_BUFFER;
                        throw new IOException("Decode without read data.");
                    }
                    if (msg != null) {
                        Channels.fireMessageReceived(ctx, msg, event.getRemoteAddress());
                    }
                }
            } while (message.readable());

这里首先要做的是把当前message的读索引保存到局部变量saveReaderIndex中，用于后面的消息回滚。后面紧接着是对消息的decode，这里的codec是DubboCountCodec对象实体，这里需要注意一点，DubboCountCodec的decode每次只会解析出一个完整的dubbo协议栈，带着这个看看decode的实现。

<!--lang:java-->
public Object decode(Channel channel, ChannelBuffer buffer) throws IOException {
    int save = buffer.readerIndex();
    MultiMessage result = MultiMessage.create();
    do {
        Object obj = codec.decode(channel, buffer);
        if (Codec2.DecodeResult.NEED_MORE_INPUT == obj) {
            buffer.readerIndex(save);
            break;
        } else {
            result.addMessage(obj);
            logMessageLength(obj, buffer.readerIndex() - save);
            save = buffer.readerIndex();
        }
    } while (true);
    if (result.isEmpty()) {
        return Codec2.DecodeResult.NEED_MORE_INPUT;
    }
    if (result.size() == 1) {
        return result.get(0);
    }
    return result;
}

这里暂存了当前buffer的读索引，同样也是为了后面的回滚。可以看到当decode返回的是NEED_MORE_INPUT则表示当前的buffer中数据不足，不能完整解析出一个dubbo协议栈，同时将buffer的读索引回滚到之前暂存的索引并且退出循环，将结果返回。那接下来看看什么时候会返回NEED_MORE_INPUT，最终会定位到在ExchangeCodec的decode方法会解析出协议栈。

<!--lang:java-->
protected Object decode(Channel channel, ChannelBuffer buffer, int readable, byte[] header) throws IOException {
    // check magic number.
    if (readable > 0 && header[0] != MAGIC_HIGH 
            || readable > 1 && header[1] != MAGIC_LOW) {
        int length = header.length;
        if (header.length < readable) {
            header = Bytes.copyOf(header, readable);
            buffer.readBytes(header, length, readable - length);
        }
        for (int i = 1; i < header.length - 1; i ++) {
            if (header[i] == MAGIC_HIGH && header[i + 1] == MAGIC_LOW) {
                buffer.readerIndex(buffer.readerIndex() - header.length + i);
                header = Bytes.copyOf(header, i);
                break;
            }
        }
        return super.decode(channel, buffer, readable, header);
    }
    // check length.
    if (readable < HEADER_LENGTH) {
        return DecodeResult.NEED_MORE_INPUT;
    }
 
    // get data length.
    int len = Bytes.bytes2int(header, 12);
    checkPayload(channel, len);
 
    int tt = len + HEADER_LENGTH;
    if( readable < tt ) {
        return DecodeResult.NEED_MORE_INPUT;
    }
 
    // limit input stream.
    ChannelBufferInputStream is = new ChannelBufferInputStream(buffer, len);
 
    try {
        return decodeBody(channel, is, header);
    } finally {
        if (is.available() > 0) {
            try {
                if (logger.isWarnEnabled()) {
                    logger.warn("Skip input stream " + is.available());
                }
                StreamUtils.skipUnusedStream(is);
            } catch (IOException e) {
                logger.warn(e.getMessage(), e);
            }
        }
    }
}

这个方法开始是对telnet协议进行解析（由于dubbo支持telnet连接，所以这里提供了支持，可以忽略这一部分）。看到会有两个地方返回NEED_MORE_INPUT，一个是当前buffer的可读长度还没有消息头长，说明当前buffer连协议栈的头都不完整，所以需要继续读取inbound数据，另一个是当前buffer包含了完整的消息头，便可以得到playload的长度，发现它的可读的长度，并没有包含整个协议栈的数据，所以也需要继续读取inbound数据。如果上面两个情况都不复核，那么说明当前的buffer至少包含一个dubbo协议栈的数据，那么从当前buffer中读取一个dubbo协议栈的数据，解析出一个dubbo数据，当然这里可能读取完一个dubbo数据之后还会有剩余的数据。

上面对dubbo解析出一个完整的dubbo协议栈过程进行了讨论，但是还没有对TCP的拆包和粘包问题做过多的讨论。下面结合上面内容做一个综合讨论。

我这里对TCP拆包和粘包分别列举一个场景来讨论。

当反生TCP拆包问题时候

这里假设之前还没有发生过任何数据交互，系统刚刚初始化好，那么这个时候在InternalDecoder里面的buffer属性会是EMPTY_BUFFER。当发生第一次inbound数据的时候，第一次在InternalDecoder里面接收的肯定是dubbo消息头的部分（这个由TCP协议保证），由于发生了拆包情况，那么此时接收的inbound消息可能存在一下几种情况

1、当前inbound消息只包含dubbo协议头的一部分

2、当前inbound消息只包含dubbo的协议头

3、当前inbound消息只包含dubbo消息头和部分playload消息

通过上面的讨论，我们知道发生上面三种情况，都会触发ExchangeCodec返回NEED_MORE_INPUT，由于在DubboCountCodec对余返回NEED_MORE_INPUT会回滚读索引，所以此时的buffer里面的数据可以当作并没有发生过读取操作，并且DubboCountCodec的decode也会返回NEED_MORE_INPUT，在InternalDecoder对于当判断返回NEED_MORE_INPUT，也会进行读索引回滚，并且退出循环，最后会执行finally内容，这里会判断inbound消息是否还有可读的，由于在DubboCountCodec里面进行了读索引回滚，所以次数的buffer里面是完整的inbound消息，等待第二次的inbound消息的到来，当第二次inbound消息过来的时候，再次经过上面的判断。

当发生TCP粘包的时候

当发生粘包的时候是tcp将一个以上的dubbo协议栈放在一个tcp包中，那么有可能发生下面几种情况

1、当前inbound消息只包含一个dubbo协议栈

2、当前inbound消息包含一个dubbo协议栈，同时包含部分另一个或者多个dubbo协议栈内容

如果发生只包含一个协议栈，那么当前buffer通过ExchangeCodec解析协议之后，当前的buffer的readeIndex位置应该是buffer尾部，那么在返回到InternalDecoder中message的方法readable返回的是false,那么就会对buffer重新赋予EMPTY_BUFFER实体，而针对包含一个以上的dubbo协议栈，当然也会解析出其中一个dubbo协议栈，但是经过ExchangeCodec解析之后，message的readIndex不在message尾部，所以message的readable方法返回的是true。那么则会继续遍历message，读取下面的信息。最终要么message刚好整数倍包含完整的dubbo协议栈，要不ExchangeCodec返回NEED_MORE_INPUT,最后将未读完的数据缓存到buffer中,等待下次inbound事件，将buffer中的消息合并到下次的inbound消息中，种类又回到了拆包的问题上。

总结

dubbo在处理tcp的粘包和拆包时是借助InternalDecoder的buffer缓存对象来缓存不完整的dubbo协议栈数据，等待下次inbound事件，合并进去。所以说在dubbo中解决TCP拆包和粘包的时候是通过buffer变量来解决的。