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实战Netty!基于私有协议,怎样快速开发网络通信服务?

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前言

本文正在参加「金石计划 . 瓜分6万现金大奖」

今天我们一起来来聊聊怎么使用netty,如果对netty感兴趣的小伙伴,可以看看我的 Netty专栏

在工作中,我经常使用netty开发一些服务,掌握netty的工作原理,开发一些服务端以及客户端是非常简单,本篇文章,我们就以具体的协议来进行一个简单的服务的开发。

正文

私有协议

编写目的

本文档用于描述边缘计算单元(以下简称边缘盒)与上位机配置软件(以下简称上位机)之间进行的数据交互通信协议。

通信方式

边缘盒作为服务端,上位机作为客户端,采用TCP/IP协议的socket连接,端口号默认为6000,数据包采用字节的二进制数据传输。

数据包

包头(10字节)负载(消息内容)

数据包由包头和消息内容组成,包头固定10个字节,其内容如下:

标志(4)负载长度(2)协议版本号(1)包类型(1)校验位(1)Reserve(1)

标志: 包的前导字符,固定CYRC

负载长度: 负载字节数(不包括包头的长度);

协议版本号: 标识通信协议的版本,初版值为0x10

包类型: 标识数据包的操作类型,具体见下表:

取值含义说明
1查询上位机发送查询消息。
2设置上位机发送设置消息。
3查询应答边缘盒对查询请求的应答。
4设置应答边缘盒对设置请求的应答。
5订阅上位机发送给边缘盒订阅数据主动上报请求。
6主动上报边缘盒主动向上位机发送数据。
7心跳上位机发送心跳消息
8心跳应答边缘盒对心跳消息的应答
其他保留 

校验位: 负载数据所有字节之和;

Reserve: 预留,值填0;

包体负载(消息内容)表示具体的数据对象,其内容如下:

对象标识(1)对象数据内容(0…n)

对于查询、心跳等包类型,包体负载(消息内容)只需要对象标识,对象数据内容省略。

对象标识: 标识数据表的操作对象,具体如下:

取值含义说明
0心跳上位机连接后间隔时间发送心跳消息给边缘盒。

具体的协议内容就不做展示了,下面就开始服务的编写。

服务开发

这里我们开发一个上位机的配置软件(客户端),我们首先要来分析,怎么对数据包进行编解码,其实工作中,这个也是服务开发的核心所在,也是难点所在。

编写消息类

public class MyProtocol
{
    /**
     * 消息的开头的信息标志
     */
    private String head = "CYRC";
    /**
     * 消息的长度
     */
    private int contentLength;
    /**
     * 消息的内容
     */
    private byte[] content;

    public MyProtocol(int contentLength, byte[] content)
    {
        this.contentLength = contentLength;
        this.content = content;
    }

    public String getHead()
    {
        return head;
    }

    public void setHead(String head)
    {
        this.head = head;
    }

    public int getContentLength()
    {
        return contentLength;
    }

    public void setContentLength(int contentLength)
    {
        this.contentLength = contentLength;
    }

    public byte[] getContent()
    {
        return content;
    }

    public void setContent(byte[] content)
    {
        this.content = content;
    }

    public String byteToHex(byte[] bytes, int cnt)
    {
        String strHex;
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (int n = 0; n < cnt; n++)
        {
            strHex = Integer.toHexString(bytes[n] & 0xFF);
            sb.append((strHex.length() == 1) ? "0" + strHex : strHex);
            sb.append(" ");
        }
        return sb.toString().trim();
    }

    @Override
    public String toString()
    {
        return "MyProtocol [head=" + head + ", contentLength="
                + contentLength + ", content=" + byteToHex(content, contentLength) + "]";
    }
}

MyDecoder解码器

@Slf4j
public class MyDecoder extends ByteToMessageDecoder
{
    /**
     * <pre>
     * 协议开始的标准head_data,CYRC,占据4个字节.
     * 表示数据的长度contentLength,占据2个字节.
     * </pre>
     */
    public final int BASE_LENGTH = 10;

    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf buffer, List<Object> out) throws Exception
    {
        if (buffer.readableBytes() >= BASE_LENGTH)
        {
            if (buffer.readableBytes() > 2048)
            {
                buffer.skipBytes(buffer.readableBytes());
            }

            // 记录包头开始的index
            int beginReader;
            //CYRC   43 59 52 43
            while (true)
            {
                // 获取包头开始的index
                beginReader = buffer.readerIndex();
                // 标记包头开始的index
                buffer.markReaderIndex();
                // 读到了协议的开始标志,结束while循环
                int head1 = buffer.readUnsignedShort();
                int head2 = buffer.readUnsignedShort();
                if (head1 == 17241 && head2 == 21059)
                {
                    break;
                }

                // 未读到包头,略过一个字节
                // 每次略过,一个字节,去读取,包头信息的开始标记
                buffer.resetReaderIndex();
                buffer.readByte();
                // 当略过,一个字节之后,数据包的长度,又变得不满足
                // 此时,应该结束。等待后面的数据到达
                if (buffer.readableBytes() < BASE_LENGTH)
                {
                    return;
                }
            }

            // 消息的长度
            int length = buffer.readUnsignedShort() + 4;
            // 判断请求数据包数据是否到齐
            if (buffer.readableBytes() < length)
            {
                // 还原读指针
                buffer.readerIndex(beginReader);
                return;
            }

            // 读取data数据
            byte[] data = new byte[length];
            buffer.readBytes(data);

            MyProtocol protocol = new MyProtocol(data.length, data);
            out.add(protocol);
        }
    }
}

MyEncoder编码器

public class MyEncoder extends MessageToByteEncoder<MyProtocol>
{
    @Override
    protected void encode(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, MyProtocol myProtocol, ByteBuf out) throws Exception
    {
        // 1.写入消息的开头的信息标志(CYCR)
        out.writeBytes(myProtocol.getHead().getBytes());
        // 2.写入消息的长度(负载长度)
        out.writeShort(myProtocol.getContentLength() - 4);
        // 3.写入消息的内容(byte[]类型)
        out.writeBytes(myProtocol.getContent());
    }
}

自定义ChannelInboundHandlerAdapter

@Slf4j
public class BootNettyClientChannelInboundHandlerAdapter extends ChannelInboundHandlerAdapter
{
    public BootNettyClientChannelInboundHandlerAdapter()
    {

    }

    /**
     * 从服务端收到新的数据时,这个方法会在收到消息时被调用
     *
     * @param ctx
     * @param msg
     */
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception
    {
        MyProtocol protocol = (MyProtocol) msg;
        log.info("接收到服务端的消息:" + protocol);
    }

    /**
     * 从服务端收到新的数据、读取完成时调用
     *
     * @param ctx
     */
    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws IOException
    {
        ctx.flush();
    }

    /**
     * 当出现 Throwable 对象才会被调用,即当 Netty 由于 IO 错误或者处理器在处理事件时抛出的异常时
     *
     * @param ctx
     * @param cause
     */
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws InterruptedException
    {
        log.error("exceptionCaught:{}", cause.getMessage());
        ctx.close();//抛出异常,断开与客户端的连接
    }

    /**
     * 客户端与服务端第一次建立连接时 执行
     *
     * @param ctx
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception
    {
        super.channelActive(ctx);
        InetSocketAddress insocket = (InetSocketAddress) ctx.channel().remoteAddress();
        String clientIp = insocket.getAddress().getHostAddress();
        log.info("channelActive------TCP客户端新建连接------clientIp:{}", clientIp);
    }

    /**
     * 客户端与服务端 断连时 执行
     *
     * @param ctx
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception
    {
        super.channelInactive(ctx);
        InetSocketAddress insocket = (InetSocketAddress) ctx.channel().remoteAddress();
        String clientIp = insocket.getAddress().getHostAddress();
        ctx.close(); //断开连接时,必须关闭,否则造成资源浪费
        log.info("channelInactive------TCP客户端断开连接----------clientIp:{}", clientIp);
    }
}

BootNettyClient客户端

@Slf4j
public class BootNettyClient
{
    public void connect(String host,int port)
    {
        /**
         * 客户端的NIO线程组
         *
         */
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try
        {
            /**
             * Bootstrap 是一个启动NIO服务的辅助启动类 客户端的
             */
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            /**
             * 设置group
             */
            bootstrap = bootstrap.group(group);
            /**
             * 关联客户端通道
             */
            bootstrap = bootstrap.channel(NioSocketChannel.class).option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true);
            /**
             * 设置 I/O处理类,主要用于网络I/O事件,记录日志,编码、解码消息
             */
            bootstrap = bootstrap.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>()
            {
                @Override
                protected void initChannel(SocketChannel channel) throws Exception
                {
                    ChannelPipeline pipeline = channel.pipeline();
                    // 添加自定义协议的编解码工具
                    pipeline.addLast(new MyDecoder());
                    pipeline.addLast(new MyEncoder());
                    /**
                     * 自定义ChannelInboundHandlerAdapter
                     */
                    pipeline.addLast(new BootNettyClientChannelInboundHandlerAdapter());
                }
            });
            /**
             * 连接服务端
             */
            ChannelFuture f = bootstrap.connect(host, port).sync();
            log.info("TCP客户端连接成功, 地址是: " + host + ":" + port);
            /**
             * 等待连接端口关闭
             */
            f.channel().closeFuture().sync();
        }
        catch (Exception e)
        {
            log.error("启动netty client失败:", e);
        }
        finally
        {
            /**
             * 退出,释放资源
             */
            group.shutdownGracefully();
        }
    }
}

NettyClientApplication程序启动类

@SpringBootApplication
public class NettyClientApplication implements CommandLineRunner {

	public static void main(String[] args) {
		SpringApplication.run(NettyClientApplication.class, args);
	}

	@Override
	public void run(String... args) throws Exception {
		new BootNettyClient().connect("172.16.1.100", 6000);
	}
}

测试

利用网络调试助手工具,开启一个服务端,模拟发送数据

实战Netty!基于私有协议,怎样快速开发网络通信服务?

发送一个完整的包(43 59 52 43 00 01 10 02 00 00 0f),如下图,客户端完整接收数据。

实战Netty!基于私有协议,怎样快速开发网络通信服务?

半包测试数据(43 59 52 43 00 01 10 02 00),无日志打印,说明客户端没有接收该不完整数据。

粘包数据测试,两个包一起发送(43 59 52 43 00 01 10 02 00 00 0f 43 59 52 43 00 01 10 02 00 00 0f),如下图,客户端同时接收到两条数据。

实战Netty!基于私有协议,怎样快速开发网络通信服务?

粘包数据测试,一个半包发送(43 59 52 43 00 01 10 02 00 00 0f 43 59 52 43 00 01 10 02),如下图,可以看出,只接收到前面完整包的数据,后面的半包数据被忽略。

实战Netty!基于私有协议,怎样快速开发网络通信服务?

业务代码编写

业务代码,无非就是将收到的数据进行一些逻辑处理,数据的解析。编写一个接收消息处理类即可。示例如下

通信参数对象:

序号名称字节数取值范围备注
1对象标识13对象标识号:3
2IP地址4 每个字节表示一段地址值(A.B.C.D,第一字节对应A,依次类推)
3端口2  
4标志1[0-1]0:网络通信,1: 485通信(端口赋波特率,IP赋值0)
@Slf4j
public class ClientService {

  /** 接收边缘盒子消息 */
  public void receiveData(MyProtocol myProtocol) {
    try {
      byte[] data = myProtocol.getContent();
      int type = data[1];
      int objId = data[4];

      // 心跳应答
      if (type == PackageTypeConstant.HEART_BEAT_REPLY) {
        log.info("--------收到心跳回复----------");
      }
      // 查询应答
      else if (type == PackageTypeConstant.QUERY_RESULT) {
        switch (objId) {
          case ObjectIdConstant.SIGNAL:
            {
              reSignalParameter(data); // 接收通信参数
              break;
            }
    
  					//.....
     
          default:
            {
              break;
            }
        }
      }
    } catch (Exception e) {
      log.error("错误的消息指令..", e);
    }
  }

  private void reSignalParameter(byte[] data) {
    EventCenterService.getInstance()
        .submitEvent(
            new IEvent() {
              @Override
              public void execute() {
                try {
                  SignalParameter sp = new SignalParameter();

                  int idx = 5;
                  byte temp1;
                  byte temp2;
                  int a = (data[idx++] & 0xFF);
                  int b = (data[idx++] & 0xFF);
                  int c = (data[idx++] & 0xFF);
                  int d = (data[idx++] & 0xFF);
                  String ip = a + "." + b + "." + c + "." + d;

                  temp1 = data[idx++];
                  temp2 = data[idx++];
                  // 端口号
                  int port = ((char) (temp1 & 0xFF) << 8) | (char) (temp2 & 0xFF);
                  int sign = data[idx];

                  sp.setIp(ip);
                  sp.setPort(port);
                  sp.setSign(sign);

                  DataConfig.signalParameterList.add(sp);
                } catch (Exception e) {
                  log.error("通信参数解析出错:", e);
                }
              }
            });
  }
}

后记

工作中,利用netty开发网络通信服务,数据的编解码处理好了,后面的业务代码相对就很容易了。

本篇文章,是我在工作中的一些实战经验,希望对netty感兴趣的小伙伴有点帮助。关于netty的原理这篇文章就不做过多介绍了,前面的文章也讲了很多,后面时间主要讲讲netty实际的运用。

任何一门技术,学会了和实际运用都是两码事,切记眼高手低,程序员从来不适合语言上的巨人,行动上的小人。看到这里,点赞,关注不迷路~~