TCP粘包與半包

在網絡編程中，粘包和半包問題是常見的 TCP 協議特有問題，尤其在基于流的傳輸協議中（如 TCP），它們常導致接收端無法正確還原發送端原本的一條條消息。

---

1 背景

TCP 是“字節流”協議，不保留消息邊界，它只是一個字節流協議，只保證字節的順序和完整性，但不關心應用層每條消息的邊界。這就導致了“粘包”和“半包”的出現。

---

2 粘包（packet stick）

定義：多條數據包被粘在一起，接收端一次接收到了多條消息數據。

舉例：

客戶端連續發送兩條消息：

[hello][world]

由于 TCP 是流式協議，可能在接收端變成：

[helloworld]

此時接收端無法確定 “hello” 和 “world” 的邊界。

---

3 半包（packet split）

定義：一條完整的數據被拆成了幾部分接收，接收端一次只能收到其中的一部分。

舉例：

客戶端發送一條 10 字節的消息：

[helloworld]

可能接收端第一次 recv 只收到：

[hello]

下一次再收到：

[world]

也就是說，一條消息被拆成了“半包”。

---

4 為什么會出現粘包/半包？

• TCP 特性導致：
  1. TCP 是字節流，不維護消息邊界；
  2. Nagle 算法 會將小包合并發送（導致粘包）；
  3. 接收端 buffer 緩沖區大小不確定，一次 read/recv 可能讀不到完整數據（導致半包）；
  4. 操作系統的發送/接收策略 也會影響包的合并與拆分。

---

5 如何解決？

• 通用思路：在應用層實現消息邊界的識別機制

  以下幾種常見方案可以避免粘包/半包問題：

  1. 定長協議

     • 每條消息固定長度（例如每條消息都是 128 字節）。
     • 優點：實現簡單；
     • 缺點：浪費帶寬，不適用于變長消息。

  2. 添加分隔符

     • 每條消息結尾加特定分隔符（如 "\r\n"）。
     • 接收端通過查找分隔符來拆分消息；
     • 缺點：消息內容中不能出現分隔符。

  3. 長度前綴協議（最常用）

     • 每條消息前加一個固定長度的字段表示消息體長度（如 4 字節整數）：

       [4字節長度][消息體]
       

       示例：

       [00000005][hello]
       [00000005][world]
       

       • 接收端讀取前 4 字節判斷消息長度，再讀取對應長度的消息體，精確拆包。

---

6 示例

C++ 實現的長度前綴協議收發邏輯示例，適用于基于 TCP 的客戶端或服務器程序，用于解決粘包/半包問題。

---

• 協議格式

[4字節消息長度][消息體內容]
- 消息長度為 uint32_t（網絡字節序）

---

• 核心發送/接收邏輯

發送端邏輯（附加長度前綴）

#include <arpa/inet.h> // htonl
#include <string>
#include <unistd.h>    // writebool sendMessage(int sockfd, const std::string& message) {uint32_t len = htonl(message.size()); // 轉為網絡字節序std::string packet;packet.append(reinterpret_cast<const char*>(&len), sizeof(len)); // 4字節長度packet.append(message); // 實際消息體size_t totalSent = 0;while (totalSent < packet.size()) {ssize_t sent = write(sockfd, packet.data() + totalSent, packet.size() - totalSent);if (sent <= 0) return false;totalSent += sent;}return true;
}

---

接收端邏輯（支持粘包/半包）

#include <arpa/inet.h> // ntohl
#include <unistd.h>    // read
#include <vector>
#include <string>bool recvExact(int sockfd, void* buffer, size_t length) {size_t total = 0;while (total < length) {ssize_t n = read(sockfd, (char*)buffer + total, length - total);if (n <= 0) return false; // 連接關閉或出錯total += n;}return true;
}bool recvMessage(int sockfd, std::string& outMessage) {uint32_t len_net;if (!recvExact(sockfd, &len_net, sizeof(len_net))) return false;uint32_t len = ntohl(len_net);if (len > 10 * 1024 * 1024) return false; // 限制最大消息長度，防止攻擊std::vector<char> buffer(len);if (!recvExact(sockfd, buffer.data(), len)) return false;outMessage.assign(buffer.begin(), buffer.end());return true;
}

---

客戶端完整用法

std::string msg = "hello world";
sendMessage(sockfd, msg);std::string received;
if (recvMessage(sockfd, received)) {std::cout << "Received: " << received << std::endl;
}

---

說明與擴展建議

項目	說明
字節序	使用 htonl/ntohl 保證跨平臺兼容
粘包支持	多條消息合并也能正確拆分
半包支持	recvExact 保證完整讀取
安全性	應添加最大長度檢查，防止惡意攻擊
異步擴展	可結合 epoll 實現非阻塞版本

---

7 總結

問題	表現	原因	解決方式
--------
粘包	多條消息合并	TCP 合并包	定長、分隔符、長度前綴
半包	一條消息被拆開	TCP 拆包	接收端維護 buffer，支持多次接收拼接