怎么基于Kotlin实现一个简单的TCP自定义协议
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自定义通讯协议
首先,需要设计一个通用的 TCP 网络协议。
网络协议结构如下
+--------------+---------------+------------+---------------+-----------+----------+ | 魔数(4) | version(1) |序列化方式(1) | command(1) |数据长度(4) |数据(n) | +--------------+---------------+------------+---------------+-----------+----------+
魔数:4字节,本项目中使用 20200803(这一天编写的日子),为了防止该端口被意外调用,我们在收到报文后取前4个字节与魔数比对,如果不相同则直接拒绝并关闭连接。
版本号:1字节,仅表示协议的版本号,便于协议升级时使用
序列化方式:1字节,表示如何将 Java 对象转化为二进制数据,以及如何反序列化。
指令:1字节,表示该消息的意图(如拍照、拍视频、心跳、App 升级等)。最多支持 2^8 种指令。
数据长度:4字节,表示该字段后数据部分的长度。最多支持 2^32 位。
数据:具体数据的内容。
根据上述所设计的网络协议,定义一个抽象类 Packet:
abstract class Packet { var magic:Int? = MAGIC_NUMBER // 魔数 var version:Byte = 1 // 版本号,当前协议的版本号为 1 abstract val serializeMethod:Byte // 序列化方式 abstract val command:Byte // Watcher 跟 App 相互通讯的指令 }
有多少个指令就需要定义多少个 Packet,下面以心跳的 Packet 为例,定义一个 HeartBeatPacket:
data class HeartBeatPacket(var msg:String = "ping", overrideval serializeMethod: Byte = Serialize.JSON, overrideval command: Byte = Commands.HEART_BEAT) : Packet() { }
HeartBeatPacket 是由 TCP 客户端发起,由 TCP 服务端接收并返回给客户端。
每个 Packet 类都包含了该 Packet 所使用的序列化方式。
/** * 序列化方式的常量列表 */ interface Serialize { companion object { const val JSON: Byte = 0 }}
每个 Packet 也包含了其对应的 command。下面是 Commands 是指令集,支持256个指令。
/** * 指令集,支持从 -128 到 127 总共 256 个指令 */ interface Commands { companion object { /** * 心跳包 */ const val HEART_BEAT: Byte = 0 /** * 登录(App 需要告诉 Watcher :cameraPosition 的位置) */ const val LOGIN: Byte = 1 ...... }}
由于使用自定义的协议,必须要有对报文的 encode、decode,PacketManager 负责这些事情。
encode 时按照协议的结构进行组装报文,同理 decode 是其逆向的过程。
/** * 报文的管理类,对报文进行 encode、decode */ object PacketManager { fun encode(packet: Packet):ByteBuf = encode(ByteBufAllocator.DEFAULT, packet) fun encode(alloc:ByteBufAllocator, packet: Packet) = encode(alloc.ioBuffer(), packet) fun encode(buf: ByteBuf, packet: Packet): ByteBuf { val serializer = SerializerFactory.getSerializer(packet.serializeMethod) val bytes: ByteArray = serializer.serialize(packet) //组装报文:魔数(4字节)+ 版本号(1字节)+ 序列化方式(1字节)+ 指令(1字节)+ 数据长度(4字节)+ 数据(N字节) buf.writeInt(MAGIC_NUMBER) buf.writeByte(packet.version.toInt()) buf.writeByte(packet.serializeMethod.toInt()) buf.writeByte(packet.command.toInt()) buf.writeInt(bytes.size) buf.writeBytes(bytes) return buf } fun decode(buf:ByteBuf): Packet { buf.skipBytes(4) // 魔数由单独的 Handler 进行校验 buf.skipBytes(1) val serializationMethod = buf.readByte() val serializer = SerializerFactory.getSerializer(serializationMethod) val command = buf.readByte() val clazz = PacketFactory.getPacket(command) val length = buf.readInt() // 数据的长度 val bytes = ByteArray(length) // 定义需要读取的字符数组 buf.readBytes(bytes) return serializer.deserialize(clazz, bytes) } }
TCP 服务端
启动 TCP 服务的方法
fun execute() { boss = NioEventLoopGroup() worker = NioEventLoopGroup() val bootstrap = ServerBootstrap() bootstrap.group(boss, worker).channel(NioServerSocketChannel::class.java) .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100) .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true) .childOption(ChannelOption.SO_REUSEADDR, true) .childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY, true) .childHandler(object : ChannelInitializer() { @Throws(Exception::class) override fun initChannel(nioSocketChannel: NioSocketChannel) { val pipeline = nioSocketChannel.pipeline() pipeline.addLast(ServerIdleHandler()) pipeline.addLast(MagicNumValidator()) pipeline.addLast(PacketCodecHandler) pipeline.addLast(HeartBeatHandler) pipeline.addLast(ResponseHandler) } }) val future: ChannelFuture = bootstrap.bind(TCP_PORT) future.addListener(object : ChannelFutureListener { @Throws(Exception::class) override fun operationComplete(channelFuture: ChannelFuture) { if (channelFuture.isSuccess) { logInfo(logger, "TCP Server is starting...") } else { logError(logger,channelFuture.cause(),"TCP Server failed") } } }) }
其中,ServerIdleHandler: 表示 5 分钟内没有收到心跳,则断开连接。
class ServerIdleHandler : IdleStateHandler(0, 0, HERT_BEAT_TIME) { privateval logger: Logger = LoggerFactory.getLogger(ServerIdleHandler::class.java) @Throws(Exception::class) override fun channelIdle(ctx: ChannelHandlerContext, evt: IdleStateEvent) { logInfo(logger) { ctx.channel().close() "$HERT_BEAT_TIME 秒内没有收到心跳,则断开连接" } } companion object { private const val HERT_BEAT_TIME = 300 }}
MagicNumValidator:用于 TCP 报文的魔数校验。
class MagicNumValidator : LengthFieldBasedFrameDecoder(Int.MAX_VALUE, LENGTH_FIELD_OFFSET, LENGTH_FIELD_LENGTH) { privateval logger: Logger = LoggerFactory.getLogger(this.javaClass) @Throws(Exception::class) override fun decode(ctx: ChannelHandlerContext, `in`: ByteBuf): Any? { if (`in`.getInt(`in`.readerIndex()) !== MAGIC_NUMBER) { // 魔数校验不通过,则关闭连接 logInfo(logger,"魔数校验失败") ctx.channel().close() return null } return super.decode(ctx, `in`) } companion object { private const val LENGTH_FIELD_OFFSET = 7 private const val LENGTH_FIELD_LENGTH = 4 } }
PacketCodecHandler: 解析报文的 Handler。
PacketCodecHandler 继承自 ByteToMessageCodec ,它是用来处理 byte-to-message 和message-to-byte,便于解码字节消息成 POJO 或编码 POJO 消息成字节。
@ChannelHandler.Sharable object PacketCodecHandler : MessageToMessageCodec() { override fun encode(ctx: ChannelHandlerContext, msg: Packet, list: MutableList ) { val byteBuf = ctx.channel().alloc().ioBuffer() PacketManager.encode(byteBuf, msg) list.add(byteBuf) } override fun decode(ctx: ChannelHandlerContext, msg: ByteBuf, list: MutableList ) { list.add(PacketManager.decode(msg)); }}
HeartBeatHandler:心跳的 Handler,接收 TCP 客户端发来的"ping",然后给客户端返回"pong"。
@ChannelHandler.Sharable object HeartBeatHandler : SimpleChannelInboundHandler(){ privateval logger: Logger = LoggerFactory.getLogger(this.javaClass) override fun channelRead0(ctx: ChannelHandlerContext, msg: HeartBeatPacket) { logInfo(logger,"收到心跳包:${GsonUtils.toJson(msg)}") msg.msg = "pong" // 返回 pong 给到客户端 ctx.writeAndFlush(msg) } }
ResponseHandler:通用的处理接收 TCP 客户端发来指令的 Handler,可以根据对应的指令去查询对应的 Handler 并处理其命令。
object ResponseHandler: SimpleChannelInboundHandler() { privateval logger: Logger = LoggerFactory.getLogger(this.javaClass) privateval handlerMap: ConcurrentHashMap > = ConcurrentHashMap() init { handlerMap[LOGIN] = LoginHandler ...... handlerMap[ERROR] = ErrorHandler } override fun channelRead0(ctx: ChannelHandlerContext, msg: Packet) { logInfo(logger,"收到客户端的指令: ${msg.command}") val handler: SimpleChannelInboundHandler ? = handlerMap[msg.command] handler?.let { logInfo(logger,"找到响应指令的 Handler: ${it.javaClass.simpleName}") it.channelRead(ctx, msg) } ?: logInfo(logger,"未找到响应指令的 Handler") } @Throws(Exception::class) override fun channelInactive(ctx: ChannelHandlerContext) { val insocket = ctx.channel().remoteAddress() as InetSocketAddress val clientIP = insocket.address.hostAddress val clientPort = insocket.port logError(logger,"客户端掉线: $clientIP : $clientPort") super.channelInactive(ctx) }}
TCP 客户端
模拟一个客户端的实现
val topLevelClass = object : Any() {}.javaClass.enclosingClass val logger: Logger = LoggerFactory.getLogger(topLevelClass)fun main() { val worker = NioEventLoopGroup() val bootstrap = Bootstrap() bootstrap.group(worker).channel(NioSocketChannel::class.java) .handler(object : ChannelInitializer() { @Throws(Exception::class) override fun initChannel(channel: SocketChannel) { channel.pipeline().addLast(PacketCodecHandler) channel.pipeline().addLast(ClientIdleHandler()) channel.pipeline().addLast(ClientLogin()) } }) val future: ChannelFuture = bootstrap.connect("127.0.0.1", TCP_PORT).addListener(object : ChannelFutureListener { @Throws(Exception::class) override fun operationComplete(channelFuture: ChannelFuture) { if (channelFuture.isSuccess()) { logInfo(logger,"connect to server success!") } else { logger.info("failed to connect the server! ") System.exit(0) } } }) try { future.channel().closeFuture().sync() logInfo(logger,"与服务端断开连接!") } catch (e: InterruptedException) { e.printStackTrace() }}
其中,PacketCodecHandler 跟服务端使用的解析报文的 Handler 是一样的。
ClientIdleHandler:客户端实现心跳,每隔 30 秒发送一次心跳。
class ClientIdleHandler : IdleStateHandler(0, 0, HEART_BEAT_TIME) { privateval logger = LoggerFactory.getLogger(ClientIdleHandler::class.java) @Throws(Exception::class) override fun channelIdle(ctx: ChannelHandlerContext, evt: IdleStateEvent?) { logInfo(logger,"发送心跳....") ctx.writeAndFlush(HeartBeatPacket()) } companion object { private const val HEART_BEAT_TIME = 30 }}
ClientLogin:登录服务端的 Handler。
@ChannelHandler.Sharable class ClientLogin: ChannelInboundHandlerAdapter() { privateval logger: Logger = LoggerFactory.getLogger(this.javaClass) @Throws(Exception::class) override fun channelActive(ctx: ChannelHandlerContext) { val packet: LoginPacket = LoginPacket() logInfo(logger,"packet = ${GsonUtils.toJson(packet)}") val byteBuf = PacketManager.encode(packet) ctx.channel().writeAndFlush(byteBuf) }}
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