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基于Netty实现自定义消息通信协议（协议设计及解析应用实战）
所谓的协议，是由语法、语义、时序这三个要素组成的一种规范，通信双方按照该协议规范来实现网络数据传输，这样通信双方才能实现数据正常通信和解析。
由于不同的中间件在功能方面有一定差异，所以其实应该是没有一种标准化协议来满足不同差异化需求，因此很多中间件都会定义自己的通信协议，另外通信协议可以解决粘包和拆包问题。
在本篇文章中，我们来实现一个自定义消息协议。
自定义协议的要素#
自定义协议，那这个协议必须要有组成的元素，
- 魔数： 用来判断数据包的有效性
- 版本号： 可以支持协议升级
- 序列化算法： 消息正文采用什么样的序列化和反序列化方式，比如json、protobuf、hessian等
- 指令类型：也就是当前发送的是一个什么类型的消息，像zookeeper中，它传递了一个Type
- 请求序号： 基于双工协议，提供异步能力，也就是收到的异步消息需要找到前面的通信请求进行响应处理
- 消息长度
- 消息正文
协议定义#
sessionId | reqType | Content-Length | Content |
其中Version,Content-Length,SessionId就是Header信息，Content就是交互的主体。
定义项目结构以及引入包#
<dependency>
<groupId>io.netty</groupId>
<artifactId>netty-all</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.slf4j</groupId>
<artifactId>slf4j-log4j12</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.projectlombok</groupId>
<artifactId>lombok</artifactId>
</dependency>
项目结构如图4-1所示：
- netty-message-mic : 表示协议模块。
- netty-message-server ：表示nettyserver。
- 引入log4j.properties
在nettyMessage-mic中，包的结构如下。
定义Header#
表示消息头
@Data
public class Header{
private long sessionId; //会话id : 占8个字节
private byte type; //消息类型： 占1个字节
private int length; //消息长度 : 占4个字节
}
定义MessageRecord#
表示消息体
@Data
public class MessageRecord{
private Header header;
private Object body;
}
OpCode#
定义操作类型
public enum OpCode {
BUSI_REQ((byte)0),
BUSI_RESP((byte)1),
PING((byte)3),
PONG((byte)4);
private byte code;
private OpCode(byte code) {
this.code=code;
}
public byte code(){
return this.code;
}
}
定义编解码器#
分别定义对该消息协议的编解码器
MessageRecordEncoder#
@Slf4j
public class MessageRecordEncoder extends MessageToByteEncoder<MessageRecord> {
@Override
protected void encode(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, MessageRecord record, ByteBuf byteBuf) throws Exception {
log.info("===========开始编码Header部分===========");
Header header=record.getHeader();
byteBuf.writeLong(header.getSessionId()); //保存8个字节的sessionId
byteBuf.writeByte(header.getType()); //写入1个字节的请求类型
log.info("===========开始编码Body部分===========");
Object body=record.getBody();
if(body!=null){
ByteArrayOutputStream bos=new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oos=new ObjectOutputStream(bos);
oos.writeObject(body);
byte[] bytes=bos.toByteArray();
byteBuf.writeInt(bytes.length); //写入消息体长度:占4个字节
byteBuf.writeBytes(bytes); //写入消息体内容
}else{
byteBuf.writeInt(0); //写入消息长度占4个字节，长度为0
}
}
}
MessageRecordDecode#
@Slf4j
public class MessageRecordDecode extends ByteToMessageDecoder {
@Override
protected void decode(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, ByteBuf byteBuf, List<Object> list) throws Exception {
MessageRecord record=new MessageRecord();
Header header=new Header();
header.setSessionId(byteBuf.readLong()); //读取8个字节的sessionid
header.setType(byteBuf.readByte()); //读取一个字节的操作类型
record.setHeader(header);
//如果byteBuf剩下的长度还有大于4个字节，说明body不为空
if(byteBuf.readableBytes()>4){
int length=byteBuf.readInt(); //读取四个字节的长度
header.setLength(length);
byte[] contents=new byte[length];
byteBuf.readBytes(contents,0,length);
ByteArrayInputStream bis=new ByteArrayInputStream(contents);
ObjectInputStream ois=new ObjectInputStream(bis);
record.setBody(ois.readObject());
list.add(record);
log.info("序列化出来的结果："+record);
}else{
log.error("消息内容为空");
}
}
}
测试协议的解析和编码#
EmbeddedChannel是netty专门改进针对ChannelHandler的单元测试而提供的
public class CodesMainTest {
public static void main( String[] args ) throws Exception {
EmbeddedChannel channel=new EmbeddedChannel(
new LoggingHandler(),
new MessageRecordEncoder(),
new MessageRecordDecode());
Header header=new Header();
header.setSessionId(123456);
header.setType(OpCode.PING.code());
MessageRecord record=new MessageRecord();
record.setBody("Hello World");
record.setHeader(header);
channel.writeOutbound(record);
ByteBuf buf= ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
new MessageRecordEncoder().encode(null,record,buf);
channel.writeInbound(buf);
}
}
编码包分析#
运行上述代码后，会得到下面的一个信息
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 00 00 00 00 00 01 e2 40 03 00 00 00 12 ac ed 00 |.......@........|
|00000010| 05 74 00 0b 48 65 6c 6c 6f 20 57 6f 72 6c 64 |.t..Hello World |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
按照协议规范：
- 前面8个字节表示sessionId
- 一个字节表示请求类型
- 4个字节表示长度
- 后面部分内容表示消息体
测试粘包和半包问题#
通过slice方法进行拆分，得到两个包。
ByteBuf中提供了一个slice方法，这个方法可以在不做数据拷贝的情况下对原始ByteBuf进行拆分。
public class CodesMainTest {
public static void main( String[] args ) throws Exception {
//EmbeddedChannel是netty专门针对ChannelHandler的单元测试而提供的类。可以通过这个类来测试channel输入入站和出站的实现
EmbeddedChannel channel=new EmbeddedChannel(
//解决粘包和半包问题
// new LengthFieldBasedFrameDecoder(2048,10,4,0,0),
new LoggingHandler(),
new MessageRecordEncoder(),
new MessageRecordDecode());
Header header=new Header();
header.setSessionId(123456);
header.setType(OpCode.PING.code());
MessageRecord record=new MessageRecord();
record.setBody("Hello World");
record.setHeader(header);
channel.writeOutbound(record);
ByteBuf buf= ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
new MessageRecordEncoder().encode(null,record,buf);
//*********模拟半包和粘包问题************//
//把一个包通过slice拆分成两个部分
ByteBuf bb1=buf.slice(0,7); //获取前面7个字节
ByteBuf bb2=buf.slice(7,buf.readableBytes()-7); //获取后面的字节
bb1.retain();
channel.writeInbound(bb1);
channel.writeInbound(bb2);
}
}
运行上述代码会得到如下异常， readerIndex(0) +length(8)表示要读取8个字节，但是只收到7个字节，所以直接报错。
2021-08-31 15:53:01,385 [io.netty.handler.logging.LoggingHandler]-[DEBUG] [id: 0xembedded, L:embedded - R:embedded] READ: 7B
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 00 00 00 00 00 01 e2 |....... |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
2021-08-31 15:53:01,397 [io.netty.handler.logging.LoggingHandler]-[DEBUG] [id: 0xembedded, L:embedded - R:embedded] READ COMPLETE
Exception in thread "main" io.netty.handler.codec.DecoderException: java.lang.IndexOutOfBoundsException: readerIndex(0) + length(8) exceeds writerIndex(7): UnpooledSlicedByteBuf(ridx: 0, widx: 7, cap: 7/7, unwrapped: PooledUnsafeDirectByteBuf(ridx: 0, widx: 31, cap: 256))
解决拆包问题#
LengthFieldBasedFrameDecoder是长度域解码器，它是解决拆包粘包最常用的解码器，基本上能覆盖大部分基于长度拆包的场景。其中开源的消息中间件RocketMQ就是使用该解码器进行解码的。
首先来说明一下该解码器的核心参数
- lengthFieldOffset，长度字段的偏移量，也就是存放长度数据的起始位置
- lengthFieldLength，长度字段锁占用的字节数
- lengthAdjustment，在一些较为复杂的协议设计中，长度域不仅仅包含消息的长度，还包含其他数据比如版本号、数据类型、数据状态等，这个时候我们可以使用lengthAdjustment进行修正，它的值=包体的长度值-长度域的值
- initialBytesToStrip，解码后需要跳过的初始字节数，也就是消息内容字段的起始位置
- lengthFieldEndOffset，长度字段结束的偏移量， 该属性的值=lengthFieldOffset+lengthFieldLength
public class CodesMainTest {
public static void main( String[] args ) throws Exception {
EmbeddedChannel channel=new EmbeddedChannel(
//解决粘包和半包问题
new LengthFieldBasedFrameDecoder(1024,
9,4,0,0),
new LoggingHandler(),
new MessageRecordEncoder(),
new MessageRecordDecode());
Header header=new Header();
header.setSessionId(123456);
header.setType(OpCode.PING.code());
MessageRecord record=new MessageRecord();
record.setBody("Hello World");
record.setHeader(header);
channel.writeOutbound(record);
ByteBuf buf= ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
new MessageRecordEncoder().encode(null,record,buf);
//*********模拟半包和粘包问题************//
//把一个包通过slice拆分成两个部分
ByteBuf bb1=buf.slice(0,7);
ByteBuf bb2=buf.slice(7,buf.readableBytes()-7);
bb1.retain();
channel.writeInbound(bb1);
channel.writeInbound(bb2);
}
}
添加一个长度解码器，就解决了拆包带来的问题。运行结果如下
2021-08-31 16:09:35,115 [com.netty.example.codec.MessageRecordDecode]-[INFO] 序列化出来的结果：MessageRecord(header=Header(sessionId=123456, type=3, length=18), body=Hello World)
2021-08-31 16:09:35,116 [io.netty.handler.logging.LoggingHandler]-[DEBUG] [id: 0xembedded, L:embedded - R:embedded] READ COMPLETE
基于自定义消息协议通信#
下面我们把整个通信过程编写完整，代码结构如图4-2所示.
服务端开发#
@Slf4j
public class ProtocolServer {
public static void main(String[] args){
EventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup();
//2 用于对接受客户端连接读写操作的线程工作组
EventLoopGroup work = new NioEventLoopGroup();
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.group(boss, work) //绑定两个工作线程组
.channel(NioServerSocketChannel.class) //设置NIO的模式
// 初始化绑定服务通道
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel sc) throws Exception {
sc.pipeline()
.addLast(
new LengthFieldBasedFrameDecoder(1024,
9,4,0,0))
.addLast(new MessageRecordEncoder())
.addLast(new MessageRecordDecode())
.addLast(new ServerHandler());
}
});
ChannelFuture cf= null;
try {
cf = b.bind(8080).sync();
log.info("ProtocolServer start success");
cf.channel().closeFuture().sync();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
work.shutdownGracefully();
boss.shutdownGracefully();
}
}
}
ServerHandler#
@Slf4j
public class ServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
MessageRecord messageRecord=(MessageRecord)msg;
log.info("server receive message:"+messageRecord);
MessageRecord res=new MessageRecord();
Header header=new Header();
header.setSessionId(messageRecord.getHeader().getSessionId());
header.setType(OpCode.BUSI_RESP.code());
String message="Server Response Message!";
res.setBody(message);
header.setLength(message.length());
ctx.writeAndFlush(res);
}
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
log.error("服务器读取数据异常");
super.exceptionCaught(ctx, cause);
ctx.close();
}
}
客户端开发#
public class ProtocolClient {
public static void main(String[] args) {
//创建工作线程组
EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
Bootstrap b = new Bootstrap();
b.group(group).channel(NioSocketChannel.class)
.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ch.pipeline().addLast(new LengthFieldBasedFrameDecoder(1024,
9,4,0,0))
.addLast(new MessageRecordEncoder())
.addLast(new MessageRecordDecode())
.addLast(new ClientHandler());
}
});
// 发起异步连接操作
try {
ChannelFuture future = b.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080)).sync();
Channel c = future.channel();
for (int i = 0; i < 500; i++) {
MessageRecord message = new MessageRecord();
Header header = new Header();
header.setSessionId(10001);
header.setType((byte) OpCode.BUSI_REQ.code());
message.setHeader(header);
String context="我是请求数据"+i;
header.setLength(context.length());
message.setBody(context);
c.writeAndFlush(message);
}
//closeFuture().sync()就是让当前线程(即主线程)同步等待Netty server的close事件，Netty server的channel close后，主线程才会继续往下执行。closeFuture()在channel close的时候会通知当前线程。
future.channel().closeFuture().sync();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
group.shutdownGracefully();
}
}
}
ClientHandler#
@Slf4j
public class ClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
MessageRecord record=(MessageRecord)msg;
log.info("Client Receive message:"+record);
super.channelRead(ctx, msg);
}
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
super.exceptionCaught(ctx, cause);
ctx.close();
}
}
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