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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