13 | 传输协议：应用程序之间对话的语言
讲述：李玥
时长09:06大小12.51M
你好，我是李玥。
经过前面几课的学习，我们已经可以实现高性能的结构化数据传输了。不过，应用程序之间要想互相通信，一起配合来实现业务功能，还需要有一套传输协议来支持。
传输协议就是应用程序之间对话的语言。设计传输协议，并没有太多规范和要求，只要是通信双方的应用程序都能正确处理这个协议，并且没有歧义就好了。
这节课，我们就来说一下设计高性能传输协议的一些方法和技巧。
如何“断句”？
既然传输协议也是一种语言，那么在应用程序之间“通话”的过程中，与我们人类用自然语言沟通有很多相似之处，但是需要处理的问题却又不同。
现代语言，无论是汉语还是英语，都是通过标点符号来分隔句子的，这个叫“断句”。古代汉语是没有标点符号的，断句全靠上下文，但这种断句方式有的时候会出现歧义，比如很著名的那个段子“下雨天留客天天留我不留”，不同的断句方式，意思完全不一样。
我们在传输数据的的时候，首先要解决的就是断句问题。对于传输层来说，收到的数据是什么样的？就是一段一段的字节，但是，因为网络的不确定性，你收到的分段并不一定是我们发出去的分段。比如我们发送的数据是这样的：
下雨天 留客天 天留 我不留
这样断句，意思就是，作为主人我不想让你在我这儿住。
经过网络传输，可能就变成这样了:
下雨天 留客天 天留我不 留
意思完全变了，客人想赖在这儿不走了。
所以，靠时间停顿来断句是不靠谱的。
你可能会想到，那我们在协议中也加上“标点符号”不就行了？而且，我们并不需要像自然语言中那么多种标点符号，只需要定义一个分隔符就可以了。
这个办法是可行的，也有很多传输协议采用这种方法，比如 HTTP1 协议，它的分隔符是换行（\r\n）。但是，这个办法有一个问题比较难处理，在自然语言中，标点符号是专用的，它没有别的含义，和文字是有天然区分的。
在数据传输的过程中，无论你定义什么字符作为分隔符，理论上，它都有可能会在传输的数据中出现。为了区分“数据内的分隔符”和真正的分隔符，你必须得在发送数据阶段，加上分隔符之前，把数据内的分隔符做转义，收到数据之后再转义回来。这是个比较麻烦的过程，还要损失一些性能。
更加实用的方法是，我们给每句话前面加一个表示这句话长度的数字，收到数据的时候，我们按照长度来读取就可以了。比如：
03 下雨天 03 留客天 02 天留 03 我不留
这里面我们固定使用 2 位数字来存放长度，每句话最长可以支持到 99 个字。接收后的处理就比较简单了，我们先读取 2 位数字 03，知道接下来的 3 个字是第一句话，那我们接下来就等着这 3 个字都收到了，就可以作为第一句话来处理了，接下来再按照这个方法来读第二句话、第三句话。
这种预置长度的方法就很好解决了断句的问题，并且它实现起来要比分隔符的方法简单很多，性能也更好，是目前普遍采用的一种分隔数据的方法。
掌握了断句的方法之后，我们再来看一下实现高性能协议还需要解决什么问题。
用双工收发协议提升吞吐量
人类之间通过语言来交流时，基本上是处于一种单工通信的状态，也就是我说你听，然后再你说我听这样。如果俩人同时说，那就不是交流了，那是两个外国人在吵架。所谓的单工通信就是，任何一个时刻，数据只能单向传输，一个人说的时候，另外一个人只能听。
HTTP1 协议，就是这样一种单工协议，客户端与服务端建立一个连接后，客户端发送一个请求，直到服务端返回响应或者请求超时，这段时间内，这个连接通道上是不能再发送其他请求的。这种单工通信的效率是比较低的，很多浏览器和 App 为了解决这个问题，只能同时在服务端和客户端之间创建多个连接，这也是没有办法的办法。
单工通信时，一句对一句，请求和响应是按照顺序依次收发，有一个天然的对应关系。比如说，胡同口张大爷和李大爷俩大爷碰上了：
这个图里面，实线是请求，虚线是响应，一问一答，这是单工协议。
我们知道，TCP 连接它是一个全双工的通道，你可以同时进行数据的双向收发，互相是不会受到任何影响的。要提高吞吐量，应用层的协议也必须支持双工通信。
如果说俩大爷有边听边说的本事，换成双工协议后，是这样的：
这时候就出现一个问题，即使俩大爷有这个边听边说的本事，问题和答案可能已经对不上了。在多线程并发的环境下，顺序也没有办法保证，这个对话就有可能变成这样：
在实际上设计协议的时候，我们一般不关心顺序，只要需要确保请求和响应能够正确对应上就可以了。
这个问题我们可以这样解决：发送请求的时候，给每个请求加一个序号，这个序号在本次会话内保证唯一，然后在响应中带上请求的序号，这样就可以把请求和响应对应上了。
加上序号后，俩大爷的就可以实现双工通信了：
张大爷和李大爷可以对自己发出去的请求来编号，回复对方响应的时候，带上对方请求的编号就可以了。这样就解决了双工通信的问题。
小结
这节课我们主要讲了传输协议，在设计传输协议的时候，只要双方应用程序能够识别传输协议，互相交流就可以了，并没有什么一定要遵循的规范。
在设计传输协议的时候，需要解决如何断句的问题，我们给大家提供了“分隔符”和“前置长度”两种断句的方法，你可以选择使用。
另外，我给大家介绍的这种“使用 ID 来标识请求与响应对应关系”的方法，是一种比较通用的实现双工通信的方法，可以有效提升数据传输的吞吐量。
解决了断句问题，实现了双工通信，配合专用的序列化方法，你就可以实现一套高性能的网络通信协议，实现高性能的进程间通信。很多的消息队列、RPC 框架都是用这种方式来实现它们自己的私有应用层传输协议。
思考题
课后，我希望你能真正动手去写代码，用我们这四节课讲到的方法，来实现一个简单的高性能通信程序。功能就是上面两个大爷那三组对话，服务端是张大爷，客户端是李大爷，我们让俩人在胡同口碰见一百万次，记录下总共的耗时。欢迎你在评论区秀出你的总耗时。
在实现过程中，有任何问题，也欢迎你在评论区留言来提问。
感谢阅读，如果你觉得这篇文章对你有帮助的话，也欢迎把它分享给你的朋友。
精选留言(24)
滴流乱转小胖子2019-08-20没想到老师居然是个相声演员，通俗易懂，点赞展开 9
chon2019-08-20第一篇的内容质量很高，第二篇的目前这几篇文章的内容实在是太基础了。不用动脑，跳着看 1 3
A92019-08-20看了直播，没想到老师你是这样的人 所以，到底谁快？展开作者回复: 同学当然是你最快呀！😏
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oldman2019-08-23老师，我理解的双工通信，是不是说不管是客户端还是服务端建立好链接之后，双方都可以基于该socket进行收发消息就好了，而不是说服务器只能accept到message之后再做一些处理。作者回复: 是这样的。
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刘天鹏2019-08-20https://gist.github.com/liutianpeng/85ce524452c8206396c94ab93506deda
一个"胡同"做中转 两个"大爷"TCP连接到胡同
我这个版本的胡同效率有点低 大爷相遇1万次就用了 3.8s展开作者回复: 赞分享代码的同学👍👍👍
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许童童2019-08-20跟着老师把这些基础知识打牢，很喜欢老师这种讲课节奏。 1
linqw2019-08-20课后习题用netty做，耗时大致3秒左右，使用LengthFieldBasedFrameDecoder。
学习完这篇也写下自己的理解，字节流就像流水，为此我们在接收和发送字节流的时候，需要对此进行编码和解码，常见的几种形式1、定长，比如指定固定的长度，解析的时候获取固定的长度为一个完整的语句2、分隔符，比如在发送时，对字节流中使用分隔符分隔完整的语句。3、最常用的一种就是在发送的字节流中，有固定的字节表示长度
有个疑问，在接收的过程中接收到半包，如何处理了，等待剩余的接收完成么？老师帮忙解答下哦展开作者回复: 是需要等待的，如果你使用Netty，这个问题Netty会帮你处理好。
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Hurt2019-08-20继续 打卡展开 1
godtrue2019-08-23打卡，已经习惯打卡
这节明白没问题，不过给我的感受是还是基础最重要。
如果计算机组成原理、操作系统原理、计算机网络原理、数据结构与算法、编译原理这几门课我的基础打的更牢靠一些，极客时间的一些课程就不用买了，至少有些课程听起来就简单多啦!
这些基础知识才是构建计算机知识大厦的根基。
总是，感谢玥哥的分享，突然想到为啥公司内部JMQ分享没听过你的呢？展开- coffee2019-08-22代码见 git@github.com:swgithub1006/-geektime-mqstudy.git ,采用netty实现。
机器是4核，server 端 bossGroup = new NioEventLoopGroup(8); workerGroup = new NioEventLoopGroup(1); client端有8个channel.机器上同时跑server和client。以下是相遇次数和执行耗时。
相遇次数 执行耗时（秒）
10000 2
100000 5
1000000 不稳定（min 65 , max 100)展开作者回复: 协议部分设计的非常好。
Netty的使用也非常熟练。
使用了8组连接并发，实际的性能要除以8哦。
这是单工通信还是双工通信呢？
最后，使用减号开头的项目名称对*nix用户严重不友好啊。 1 
奇奇2019-08-2203 然后天留我先到达 这不就完了？展开- 奇奇2019-08-22如果发送网络时序出现问题，怎么办？展开
作者回复: 一般来说，只要请求和响应能对上就可以了，在网络上传输的这些请求和响应，并不需要严格有序。
大白先生2019-08-21老师，那在一次会话过程中，开头的先是唯一序列号么。然后后面跟的是数据长度，再然后是内容么。那接到消息的一方，该如何分辨序列号的长度大小，做到区分序列号和内容前的数据长度信息？作者回复: 开头是数据长度，序号也是数据的一部分，所以应该在长度之后。
- A92019-08-21https://github.com/WangYangA9/netty-FullDuplex-example 作业写完啦，大概时长5秒左右，有待优化，使用netty框架，协议使用Kryo序列化协议（类似上面的例子，4字节表示数据长度，后续记录对应长度数据）。
为了模拟真实的顺序相应，做了很多同步等待，包括每次tcp连接的断开也进行了同步。
客户端什么时候断开连接稍微想了一下。开始的时候，由于消息没收完就断开了连接导致报错。最后实现方案是，收到三条该收的信息后，断开连接。但是这样的代价是，没找到ChannelFuture有类似then的毁掉方法，addListener反而导致性能下降，因此选择同步等待后，再将任务状态置为true，这些等待应该是可以后续优化的点。
请问老师，用什么方式判断一次碰面的3次收发都结束了比较好呢？展开作者回复: 可以考虑用Barrier或者更简单的CountDownLatch来解决你的问题。
宋晓明2019-08-21老师，昨天您的直播我看了 但心中一直有个疑问：一般架构师coding能力非常强，尤其是java，现在很多招聘要求都是java架构师，目前本人擅长的语言是python和go，说实话 java虽好，但本人很不喜欢，是不是我与架构师就无缘了？？展开作者回复: 跟语言关系不大，其实各种编程语言背后的实现原理都是差不多的。一般的大厂的架构师职位对语言也没有强要求，而且很多架构师都是掌握多门编程语言的。
nimil2019-08-21赞👍，通俗易懂展开
朱振光2019-08-20前置长度是不是也有类似的问题，03也可能是正常文字里的内容，也是需要转义吧作者回复: 你可以想一下最好自己实现一下接收数据进行解析的代码，你就会明白，前置长度是不需要转义的。
因为在解析的时候，可以明确的知道当前读到的这个位置应该是长度还是真正的数据，它是不需要根据数据流中的内容来确定的。
learn more2019-08-20redis 的 aof 文件好像就是老师说的 前置长度，瞬间觉得经典无处不在
张三2019-08-20这节的重点是实现展开
知己逢知遇2019-08-20多线程下异步处理一次会话的结果消息体，除了对这次会话的结果消息进行编号，是否也要对分割的消息体进行顺序编号？
电驴，迅雷，p2p这种软件的消息协议大概是什么样的呢？是不是部分协议跟今天老师讲的情况类似？
我是不是可以理解为，在双全功下，我和一个网站就可以建立一条长链接，然后所有的资源请求都通过这条链接进行交换，只要协议正确，就可以保证数据的完整性，正常访问并解析打开的该网站的所有页面。
多线程，异步的io操作，是不是也有自己的协议？展开作者回复: 你需要了解，协议是分层的，就像我们发快递，我发给你的可能是个手机，对于快递小哥来说，这就是个小包裹，他不关心里面是什么，总之我保证给你把包裹安全的送到站点儿就行了。包裹到了站点儿会分拣装箱，然后用小货车运到机场，对于小货车司机来说，它也不关心车里装的是什么，只要把车安全开到机场就行了。
对于协议来说已是这样在发送的时候一层一层的封装，然后接收的时候再一层一层解封，对于每一层协议来说，他是不知道底层是什么协议的，也不知道上层协议是如何封装的（送件的快递小哥不知道也不关心这个件是怎么到配送站的，也不知道包裹里到底装的啥），只在自己的协议层完成处理即可。
