四层网络协议

为什么要将数据切片

可以把网络比喻为一个水管，是有一定的粗细的，这个粗细由网络接口层（数据链路层）提供给网络层，一般认为是的MTU（1500），直接传入整个消息，会超过水管的最大承受范围，那么，就需要进行切片，成为一个个数据包，这样消息才能正常通过“水管”。

MTU 和 MSS 有什么区别

MSS和MTU的区别

• MTU: Maximum Transmit Unit，最大传输单元。 由网络接口层（数据链路层）提供给网络层最大一次传输数据的大小；一般 MTU=1500 Byte。
  假设IP层有 <= 1500 byte 需要发送，只需要一个 IP 包就可以完成发送任务；假设 IP 层有> 1500 byte 数据需要发送，需要分片才能完成发送，分片后的 IP Header ID 相同。
• MSS：Maximum Segment Size 。TCP 提交给 IP 层最大分段大小，不包含 TCP Header 和 TCP Option，只包含 TCP Payload ，MSS 是 TCP 用来限制应用层最大的发送字节数。
  假设 MTU= 1500 byte，那么 MSS = 1500- 20(IP Header) -20 (TCP Header) = 1460 byte，如果应用层有 2000 byte 发送，那么需要两个切片才可以完成发送，第一个 TCP 切片 = 1460，第二个 TCP 切片 = 540。

什么是粘包

发送：
网络稳得很，将消息分片传到了对端手机 B 上。经过 TCP 层消息重组。变成"hello world"这样的字节流（stream）。

接收：
在处理字节流的时候消息从"hello"，"world" 变成了 "hellow"，"orld"。
"hello"作为上一个包的内容与下一个包里的"w"粘在了一起被错误地当成了一个数据包解析了出来。这就是所谓的粘包。

为什么会出现粘包

那就要从 TCP 是啥说起。TCP，Transmission Control Protocol。传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

其中跟粘包关系最大的就是基于字节流这个特点。
字节流可以理解为一个双向的通道里流淌的数据，这个数据其实就是我们常说的二进制数据，简单来说就是一大堆 01 串。这些 01 串之间没有任何边界。

二进制字节流

应用层传到 TCP 协议的数据，不是以消息报为单位向目的主机发送，而是以字节流的方式发送到下游，这些数据可能被切割和组装成各种数据包，接收端收到这些数据包后没有正确还原原来的消息，因此出现粘包现象。

为什么要组装发送的数据
上面提到 TCP 切割数据包是为了能顺利通过网络这根水管。相反，还有一个组装的情况。如果前后两次 TCP 发的数据都远小于 MSS，比如就几个字节，每次都单独发送这几个字节，就比较浪费网络 io 。

TCP的 Nagle 算法优化，目的是为了避免发送小的数据包。

在 Nagle 算法开启的状态下，数据包在以下两个情况会被发送：

• 如果包长度达到MSS（或含有Fin包），立刻发送，否则等待下一个包到来；如果下一包到来后两个包的总长度超过MSS的话，就会进行拆分发送；
• 等待超时（一般为200ms），第一个包没到MSS长度，但是又迟迟等不到第二个包的到来，则立即发送。

Nagle2

• 由于启动了Nagle算法，msg1 小于 mss ，此时等待200ms内来了一个 msg2，msg1 + msg2 > MSS，因此把 msg2 分为 msg2(1) 和 msg2(2)，msg1 + msg2(1) 包的大小为MSS。此时发送出去。
• 剩余的 msg2(2) 也等到了 msg3，同样 msg2(2) + msg3 > MSS，因此把 msg3分为msg3(1) 和 msg3(2)，msg2(2) + msg3(1) 作为一个包发送。
• 剩余的 msg3(2) 长度不足mss，同时在200ms内没有等到下一个包，等待超时，直接发送。
• 此时三个包虽然在图里颜色不同，但是实际场景中，他们都是一整个 01 串，如果处理开发者把第一个收到的 msg1 + msg2(1) 就当做是一个完整消息进行处理，就会看上去就像是两个包粘在一起，就会导致粘包问题。

关掉Nagle算法就不会粘包了吗？

Nagle 算法其实是个有些年代的东西了，诞生于 1984 年。对于应用程序一次发送一字节数据的场景，如果没有 Nagle 的优化，这样的包立马就发出去了，会导致网络由于太多的包而过载。

但是今天网络环境比以前好太多，Nagle 的优化帮助就没那么大了。而且它的延迟发送，有时候还可能导致调用延时变大，比如打游戏的时候，你操作如此丝滑，但却因为 Nagle 算法延迟发送导致慢了一拍，就问你难受不难受。

所以现在一般也会把它关掉。

看起来，Nagle 算法的优化作用貌似不大，还会导致粘包"问题"。那么是不是关掉这个算法就可以解决掉这个粘包"问题"呢？

TCP_NODELAY = 1

关闭Nagle就不会粘包了吗

• 接受端应用层在收到 msg1 时立马就取走了，那此时 msg1 没粘包问题
• msg2 到了后，应用层在忙，没来得及取走，就呆在 TCP Recv Buffer 中了
• msg3 此时也到了，跟 msg2 和 msg3 一起放在了 TCP Recv Buffer 中
  这时候应用层忙完了，来取数据，图里是两个颜色作区分，但实际场景中都是 01 串，此时一起取走，发现还是粘包。

因此，就算关闭 Nagle 算法，接收数据端的应用层没有及时读取 TCP Recv Buffer 中的数据，还是会发生粘包。

怎么处理粘包

粘包出现的根本原因是不确定消息的边界。接收端在面对"无边无际"的二进制流的时候，根本不知道收了多少 01 才算一个消息。一不小心拿多了就说是粘包。其实粘包根本不是 TCP 的问题，是使用者对于 TCP 的理解有误导致的一个问题。

只要在发送端每次发送消息的时候给消息带上识别消息边界的信息，接收端就可以根据这些信息识别出消息的边界，从而区分出每个消息。

常见的方法有

加入特殊标志

消息边界头尾标志可以通过特殊的标志作为头尾，比如当收到了0xfffffe或者回车符，则认为收到了新消息的头，此时继续取数据，直到收到下一个头标志0xfffffe或者尾部标记，才认为是一个完整消息。类似的像 HTTP 协议里当使用 chunked 编码 传输时，使用若干个 chunk 组成消息，最后由一个标明长度为 0 的 chunk 结束。

加入消息长度信息

这个一般配合上面的特殊标志一起使用，在收到头标志时，里面还可以带上消息长度，以此表明在这之后多少 byte 都是属于这个消息的。如果在这之后正好有符合长度的 byte，则取走，作为一个完整消息给应用层使用。在实际场景中，HTTP 中的Content-Length就起了类似的作用，当接收端收到的消息长度小于 Content-Length 时，说明还有些消息没收到。那接收端会一直等，直到拿够了消息或超时

可能这时候会有朋友会问，采用0xfffffe标志位，用来标志一个数据包的开头，你就不怕你发的某个数据里正好有这个内容吗？

是的，怕，所以一般除了这个标志位，发送端在发送时还会加入各种校验字段（校验和或者对整段完整数据进行 CRC 之后获得的数据）放在标志位后面，在接收端拿到整段数据后校验下确保它就是发送端发来的完整数据。

UDP 会粘包吗

跟 TCP 同为传输层的另一个协议，UDP，User Datagram Protocol。用户数据包协议，是面向无连接，不可靠的，基于数据报的传输层通信协议。

UDP是什么

基于数据报是指无论应用层交给 UDP 多长的报文，UDP 都照样发送，即一次发送一个报文。至于如果数据包太长，需要分片，那也是IP层的事情，大不了效率低一些。UDP 对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。而接收方在接收数据报的时候，也不会像面对 TCP 无穷无尽的二进制流那样不清楚啥时候能结束。正因为基于数据报和基于字节流的差异，TCP 发送端发 10 次字节流数据，而这时候接收端可以分 100 次去取数据，每次取数据的长度可以根据处理能力作调整；但 UDP 发送端发了 10 次数据报，那接收端就要在 10 次收完，且发了多少，就取多少，确保每次都是一个完整的数据报。

我们先看下IP报头

ip报头

注意这里面是有一个 16 位的总长度的，意味着 IP 报头里记录了整个 IP 包的总长度。接着我们再看下 UDP 的报头。

UDP报头

在报头中有16bit用于指示 UDP 数据报文的长度，假设这个长度是 n ，以此作为数据边界。因此在接收端的应用层能清晰地将不同的数据报文区分开，从报头开始取 n 位，就是一个完整的数据报，从而避免粘包和拆包的问题。

当然，就算没有这个位（16位 UDP 长度），因为 IP 的头部已经包含了数据的总长度信息，此时如果 IP 包（网络层）里放的数据使用的协议是 UDP（传输层），那么这个总长度其实就包含了 UDP 的头部和 UDP 的数据。

因为 UDP 的头部长度固定为 8 字节（ 1 字节= 8 位，8 字节= 64 位，上图中除了数据和选项以外的部分），那么这样就很容易的算出 UDP 的数据的长度了。因此说 UDP 的长度信息其实是冗余的。

UDP数据长度

UDP Data 的长度 = IP 总长度 - IP Header 长度 - UDP Header 长度

TCP 的报头

TCP首部里是没有长度这个信息的，跟UDP类似，同样可以通过下面的公式获得当前包的TCP数据长度。

TCP Data 的长度 = IP 总长度 - IP Header 长度 - TCP Header 长度。

TCP数据长度

跟 UDP 不同在于，TCP 发送端在发的时候就不保证发的是一个完整的数据报，仅仅看成一连串无结构的字节流，这串字节流在接收端收到时哪怕知道长度也没用，因为它很可能只是某个完整消息的一部分。

为什么长度字段冗余还要加到 UDP 首部中
关于这一点，查了很多资料，《 TCP-IP 详解（卷2）》里说可能是因为要用于计算校验和。也有的说是因为UDP底层使用的可以不是IP协议，毕竟 IP 头里带了总长度，正好可以用于计算 UDP 数据的长度，万一 UDP 的底层不是IP层协议，而是其他网络层协议，就不能继续这么计算了。

但我觉得，最重要的原因是，IP 层是网络层的，而 UDP 是传输层的，到了传输层，数据包就已经不存在IP头信息了，那么此时的UDP数据会被放在 UDP 的 Socket Buffer 中。当应用层来不及取这个 UDP 数据报，那么两个数据报在数据层面其实都是一堆 01 串。此时读取第一个数据报的时候，会先读取到 UDP 头部，如果这时候 UDP 头不含 UDP 长度信息，那么应用层应该取多少数据才算完整的一个数据报呢？

因此 UDP 头的这个长度其实跟 TCP 为了防止粘包而在消息体里加入的边界信息是起一样的作用的。

IP 层有粘包问题吗

IP 层会对大包进行切片，是不是也有粘包问题？

先说结论，不会。首先前文提到了，粘包其实是由于使用者无法正确区分消息边界导致的一个问题。

先看看 IP 层的切片分包是怎么回事。

P分包与重组

• 如果消息过长，IP层会按 MTU 长度把消息分成 N 个切片，每个切片带有自身在包里的位置（offset）和同样的IP头信息。
• 各个切片在网络中进行传输。每个数据包切片可以在不同的路由中流转，然后在最后的终点汇合后再组装。
• 在接收端收到第一个切片包时会申请一块新内存，创建IP包的数据结构，等待其他切片分包数据到位。
• 等消息全部到位后就把整个消息包给到上层（传输层）进行处理。
• 可以看出整个过程，IP 层从按长度切片到把切片组装成一个数据包的过程中，都只管运输，都不需要在意消息的边界和内容，都不在意消息内容了，那就不会有粘包一说了。

IP 层表示：我只管把发送端给我的数据传到接收端就完了，我也不了解里头放了啥东西。

总结

粘包这个问题的根因是由于开发人员没有正确理解 TCP 面向字节流的数据传输方式，本身并不是 TCP 的问题，是开发者的问题。

• TCP 不管发送端要发什么，都基于字节流把数据发到接收端。这个字节流里可能包含上一次想要发的数据的部分信息。接收端根据需要在消息里加上识别消息边界的信息。不加就可能出现粘包问题。
• TCP 粘包跟Nagle算法有关系，但关闭 Nagle 算法并不解决粘包问题。
• UDP 是基于数据报的传输协议，不会有粘包问题。
• IP 层也切片，但是因为不关心消息里有啥，因此有不会有粘包问题。
• TCP 发送端可以发 10 次字节流数据，接收端可以分 100 次去取；UDP 发送端发了 10 次数据报，那接收端就要在 10 次收完。

数据包也只是按着 TCP 的方式进行组装和拆分，如果数据包有错，那数据包也只是犯了每个数据包都会犯的错而已。