基於Netty實現自定義訊息通訊協議（協議設計及解析應用實戰）

跟著Mic學架構發表於2021-11-15
Netty協議

所謂的協議，是由語法、語義、時序這三個要素組成的一種規範，通訊雙方按照該協議規範來實現網路資料傳輸，這樣通訊雙方才能實現資料正常通訊和解析。

由於不同的中介軟體在功能方面有一定差異，所以其實應該是沒有一種標準化協議來滿足不同差異化需求，因此很多中介軟體都會定義自己的通訊協議，另外通訊協議可以解決粘包和拆包問題。

在本篇文章中，我們來實現一個自定義訊息協議。

自定義協議的要素

自定義協議，那這個協議必須要有組成的元素，

  • 魔數： 用來判斷資料包的有效性
  • 版本號： 可以支援協議升級
  • 序列化演算法： 訊息正文采用什麼樣的序列化和反序列化方式，比如json、protobuf、hessian等
  • 指令型別：也就是當前傳送的是一個什麼型別的訊息，像zookeeper中，它傳遞了一個Type
  • 請求序號： 基於雙工協議，提供非同步能力，也就是收到的非同步訊息需要找到前面的通訊請求進行響應處理
  • 訊息長度
  • 訊息正文

協議定義

sessionId | reqType | Content-Length | Content |

其中Version,Content-Length,SessionId就是Header資訊，Content就是互動的主體。

定義專案結構以及引入包

<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>

專案結構如圖4-1所示：

  • netty-message-mic : 表示協議模組。
  • netty-message-server ：表示nettyserver。

<center>圖4-1</center>

  • 引入log4j.properties

在nettyMessage-mic中，包的結構如下。

image-20210831103346370

定義Header

表示訊息頭

@Data
public class Header{
    private long sessionId; //會話id  : 佔8個位元組
    private byte type; //訊息型別： 佔1個位元組

    private int length;     //訊息長度 : 佔4個位元組
}

定義MessageRecord

表示訊息體

@Data
public class MessageRecord{

    private Header header;
    private Object body;
}

OpCode

定義操作型別

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;
    }
}

定義編解碼器

分別定義對該訊息協議的編解碼器

MessageRecordEncoder

@Slf4j
public class MessageRecordEncoder extends MessageToByteEncoder<MessageRecord> {

    @Override
    protected void encode(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, MessageRecord record, ByteBuf byteBuf) throws Exception {
        log.info("===========開始編碼Header部分===========");
        Header header=record.getHeader();
        byteBuf.writeLong(header.getSessionId()); //儲存8個位元組的sessionId
        byteBuf.writeByte(header.getType());  //寫入1個位元組的請求型別

        log.info("===========開始編碼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); //寫入訊息體長度:佔4個位元組
            byteBuf.writeBytes(bytes); //寫入訊息體內容
        }else{
            byteBuf.writeInt(0); //寫入訊息長度佔4個位元組，長度為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());  //讀取8個位元組的sessionid
        header.setType(byteBuf.readByte()); //讀取一個位元組的操作型別
        record.setHeader(header);
        //如果byteBuf剩下的長度還有大於4個位元組，說明body不為空
        if(byteBuf.readableBytes()>4){
            int length=byteBuf.readInt(); //讀取四個位元組的長度
            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("序列化出來的結果："+record);
        }else{
            log.error("訊息內容為空");
        }
    }
}

測試協議的解析和編碼

EmbeddedChannel是netty專門改進針對ChannelHandler的單元測試而提供的

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);
    }
}

編碼包分析

執行上述程式碼後，會得到下面的一個資訊

         +-------------------------------------------------+
         |  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 |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

按照協議規範：

  • 前面8個位元組表示sessionId
  • 一個位元組表示請求型別
  • 4個位元組表示長度
  • 後面部分內容表示訊息體

測試粘包和半包問題

通過slice方法進行拆分，得到兩個包。

ByteBuf中提供了一個slice方法，這個方法可以在不做資料拷貝的情況下對原始ByteBuf進行拆分。
public class CodesMainTest {
    public static void main( String[] args ) throws Exception {
        //EmbeddedChannel是netty專門針對ChannelHandler的單元測試而提供的類。可以通過這個類來測試channel輸入入站和出站的實現
        EmbeddedChannel channel=new EmbeddedChannel(
                //解決粘包和半包問題
//                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);

       //*********模擬半包和粘包問題************//
        //把一個包通過slice拆分成兩個部分
        ByteBuf bb1=buf.slice(0,7); //獲取前面7個位元組
        ByteBuf bb2=buf.slice(7,buf.readableBytes()-7); //獲取後面的位元組
        bb1.retain();

        channel.writeInbound(bb1);
        channel.writeInbound(bb2);
    }
}

執行上述程式碼會得到如下異常， readerIndex(0) +length(8)表示要讀取8個位元組，但是隻收到7個位元組，所以直接報錯。

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))

解決拆包問題

LengthFieldBasedFrameDecoder是長度域解碼器，它是解決拆包粘包最常用的解碼器，基本上能覆蓋大部分基於長度拆包的場景。其中開源的訊息中介軟體RocketMQ就是使用該解碼器進行解碼的。

首先來說明一下該解碼器的核心引數

  • lengthFieldOffset，長度欄位的偏移量，也就是存放長度資料的起始位置
  • lengthFieldLength，長度欄位鎖佔用的位元組數
  • lengthAdjustment，在一些較為複雜的協議設計中，長度域不僅僅包含訊息的長度，還包含其他資料比如版本號、資料型別、資料狀態等，這個時候我們可以使用lengthAdjustment進行修正，它的值=包體的長度值-長度域的值
  • initialBytesToStrip，解碼後需要跳過的初始位元組數，也就是訊息內容欄位的起始位置
  • lengthFieldEndOffset，長度欄位結束的偏移量， 該屬性的值=lengthFieldOffset+lengthFieldLength
public class CodesMainTest {
    public static void main( String[] args ) throws Exception {
        EmbeddedChannel channel=new EmbeddedChannel(
                //解決粘包和半包問題
                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);

       //*********模擬半包和粘包問題************//
        //把一個包通過slice拆分成兩個部分
        ByteBuf bb1=buf.slice(0,7);
        ByteBuf bb2=buf.slice(7,buf.readableBytes()-7);
        bb1.retain();

        channel.writeInbound(bb1);
        channel.writeInbound(bb2);
    }
}

新增一個長度解碼器，就解決了拆包帶來的問題。執行結果如下

2021-08-31 16:09:35,115 [com.netty.example.codec.MessageRecordDecode]-[INFO] 序列化出來的結果：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

基於自定義訊息協議通訊

下面我們把整個通訊過程編寫完整，程式碼結構如圖4-2所示.

image-20210831175056500

<center>圖4-2</center>

服務端開發

@Slf4j
public class ProtocolServer {

    public static void main(String[] args){
        EventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup();
        //2 用於對接受客戶端連線讀寫操作的執行緒工作組
        EventLoopGroup work = new NioEventLoopGroup();
        ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
        b.group(boss, work)    //繫結兩個工作執行緒組
            .channel(NioServerSocketChannel.class)    //設定NIO的模式
            // 初始化繫結服務通道
            .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("伺服器讀取資料異常");
        super.exceptionCaught(ctx, cause);
        ctx.close();
    }
}

客戶端開發

public class ProtocolClient {

    public static void main(String[] args) {
        //建立工作執行緒組
        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());

                }
            });
        // 發起非同步連線操作
        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="我是請求資料"+i;
                header.setLength(context.length());
                message.setBody(context);
                c.writeAndFlush(message);
            }
            //closeFuture().sync()就是讓當前執行緒(即主執行緒)同步等待Netty server的close事件，Netty server的channel close後，主執行緒才會繼續往下執行。closeFuture()在channel close的時候會通知當前執行緒。
            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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