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通信协议之序列化

查看次数38418 发表时间2012-07-25 22:25:44

通信协议可以理解两个节点之间为了协同工作实现信息交换,协商一定的规则和约定,例如规定字节序,各个字段类型,使用什么压缩算法或加密算法等。常见的有tcp,udo,http,sip等常见协议。协议有流程规范和编码规范。流程如呼叫流程等信令流程,编码规范规定所有信令和数据如何打包/解包。

编码规范就是我们通常所说的编解码,序列化。不光是用在通信工作上,在存储工作上我们也经常用到。如我们经常想把内存中对象存放到磁盘上,就需要对对象进行数据序列化工作。

本文采用先循序渐进,先举一个例子,然后不断提出问题-解决完善,这样一个迭代进化的方式,介绍一个协议逐步进化和完善,最后总结。看完之后,大家以后在工作就很容易制定和选择自己的编码协议。

一、紧凑模式

本文例子是A和B通信,获取或设置基本资料,一般开发人员第一步就是定义一个协议结构:

struct userbase

{

unsigned short cmd;//1-get, 2-set, 定义一个short,为了扩展更多命令(理想那么丰满)

unsigned char gender; //1 – man , 2-woman, 3 - ??

char name[8]; //当然这里可以定义为 string name;或len + value 组合,为了叙述方便,就使用简单定长数据

}

在这种方式下,A基本不用编码,直接从内存copy出来,再把cmd做一下网络字节序变换,发送给B。B也能解析,一切都很和谐愉快。

这时候编码结果可以用图表示为(1格一个字节)

这种编码方式,我称之为紧凑模式,意思是除了数据本身外,没有一点额外冗余信息,可以看成是Raw Data。在dos年代,这种使用方式非常普遍,那时候可是内存和网络都是按K计算,cpu还没有到1G。如果添加额外信息,不光耗费捉襟见肘的cpu,连内存和带宽都伤不起。

二、可扩展性

有一天,A在基本资料里面加一个生日字段,然后告诉B

struct userbase

{

unsigned short cmd;

unsigned char gender;

unsigned int birthday;

char name[8];

}

这是B就犯愁了,收到A的数据包,不知道第3个字段到底是旧协议中的name字段,还是新协议中birthday。这是后A,和B终于从教训中认识到一个协议重要特性——兼容性和可扩展性

于是乎,A和B决定废掉旧的协议,从新开始,制定一个以后每个版本兼容的协议。方法很简单,就是加一个version字段。

struct userbase

{

unsigned short version;

unsigned short cmd;

unsigned char gender;

unsigned int birthday;

char name[8];

}

这样,A和B就松一口气,以后就可以很方便的扩展。增加字段也很方便。这种方法即使在现在,应该还有不少人使用。

二、更好的可扩展性

过了一段较长时间,A和B发现又有新的问题,就是没增加一个字段就改变一下版本号,这还不是重点,重点是这样代码维护起来相当麻烦,每个版本一个case分支,到了最好,代码里面case 几十个分支,看起来丑陋而且维护起来成本高。

A 和 B仔细思考了一下,觉得光靠一个version维护整个协议,不够细,于是觉得为每个字段增加一个额外信息——tag,虽然增加内存和带宽,但是现在已经不像当年那样,可以容许这些冗余,换取易用性

struct userbase

{

1 unsigned short version;

unsigned short cmd;

unsigned char gender;

unsigned int birthday;

char name[8];

}

制定完这些协议后,A和B很得意,觉得这个协议不错,可以自由的增加和减少字段。随便扩展。

现实总是很残酷的,不久就有新的需求,name使用8个字节不够,最大长度可能会达到100个字节,A和B就愁怀了,总不能即使叫“steven”的人,每次都按照100个字节打包,虽然不差钱,也不能这样浪费。

于是A和B寻找各方资料,找到了ANS.1编码规范,好东西啊.. ASN.1是一种ISO/ITU-T 标准。其中一种编码BER(Basic Encoding Rules)简单好用,它使用<Tag, Length, Value>三元组编码,简称TLV编码。

每个字段编码后内存组织如下

clip_image006

字段可以是结构,即可以嵌套

clip_image008

A和B使用TLV打包协议后,数据内存组织大概如下:

clip_image010

TLV具备了很好可扩展性,很简单易学。同时也具备了缺点,因为其增加了2个额外的冗余信息,tag 和len,特别是如果协议大部分是基本数据类型int ,short, byte. 会浪费几倍存储空间。另外Value具体是什么含义,需要通信双方事先得到描述文档,即TLV不具备结构化和自解释特性。

三、自解释性

当A和B采用TLV协议后,似乎问题都解决了。但是还是觉得不是很完美,决定增加自解释特性,这样抓包就能知道各个字段类型,不用看协议描述文档。这种改进的类型就是 TT[L]V(tag,type,length,value),其中L在type是定长的基本数据类型如int,short, long, byte时候,因为其长度是已知的,所以L不需要。

于是定义了一些type值如下

类型

Type值

类型描述

bool

1

布尔值

int8

2

带符号的一个字符

uint8

3

带符号的一个字符

int16

4

16位有符号整型

uint16

5

16位无符号整型

int32

6

32位有符号整型

uint32

7

32位无符号整型

   

string

12

字符串或二进制序列

struct

13

自定义的结构,嵌套使用

list

14

有序列表

map

15

无序列表

按照ttlv序列化后,内存组织如下

clip_image012

改完后,A和B发现,的确带来很多好处,不光可以随心所以的增删字段,还可以修改数据类型,例如把cmd改成int cmd;可以无缝兼容。真是太给力了。

三、跨语言特性

有一天来了一个新的同事C,他写一个新的服务,需要和A通信,但是C是用java或PHP的语言,没有无符号类型,导致负数解析失败。为了解决这个问题,A重新规划一下协议类型,做了有些剥离语言特性,定义一些共性。对使用类型做了强制性约束。虽然带来了约束,但是带来通用型和简洁性,和跨语言性,大家表示都很赞同,于是有了一个类型(type)规范。

类型

Type值

类型描述

bool

1

布尔值

int8

2

带符号的一个字符

int16

3

16位有符号整型

int32

4

32位有符号整型

   

string

12

字符串或二进制序列

struct

13

自定义的结构,嵌套使用

list

14

有序列表

map

15

无序列表

四、代码自动化 ——IDL语言的产生

但是A和B发现了新的烦恼,就是每搞一套新的协议,都要从头编解码,调试,虽然TLV很简单,但是写编解码是一个毫无技术含量的枯燥体力活,一个非常明显的问题是,由于大量copy/past,不管是对新手还是老手,非常容易犯错,一犯错,定位排错非常耗时。于是A想到使用工具自动生成代码。

IDL(Interface Description Language),它是一种描述语言,也是一个中间语言,IDL一个使命就是规范和约束,就像前面提到,规范使用类型,提供跨语言特性。通过工具分析idl文件,生成各种语言代码

Gencpp.exe sample.idl 输出 sample.cpp sample.h

Genphp.exe sample.idl 输出 sample.php

Genjava.exe sample.idl 输出 sample.java

是不是简单高效J

四、总结

大家看到这里,是不是觉得很面熟。是的,协议讲到最后,其实就是和facebook的thrift和google protocol buffer协议大同小异了。包括公司无线使用的jce协议。咋一看这些协议的idl文件,发现几乎是一样的。只是有些细小差异化。

这些协议在一些细节上增加了一些特性:

1、压缩,这里压缩不是指gzip之类通用压缩,是指针对整数压缩,如int类型,很多情况下值是小于127(值为0的情况特别多),就不需要占用4个字节,所以这些协议做了一些细化处理,把int类型按照情况,只使用1/2/3/4字节,实际上还是一种ttlv协议。

2、reuire/option 特性: 这个特性有两个作用,1、还是压缩,有时候一个协议很多字段,有些字段可以带上也可以不带上,不赋值的时候不是也要带一个缺省值打包,这样很浪费,如果字段是option特性,没有赋值的话,就不用打包。2、有点逻辑上约束功能,规定哪些字段必须有,加强校验。

序列化是通信协议的基础,不管是信令通道还是数据通道,还是rpc,都需要使用到。在设计协议早期就考虑到扩展性和跨语言特性。会为以后省去不少麻烦。

Ps

本篇主要介绍二进制通信协议序列化,没有讲文本协议。从某种意义来讲,文本协议天生具有兼容和可扩展性。不像二进制需要考虑那么多问题。文本协议易于调试(如抓包就是可见字符,telnet即可调试,数据包可以手工生成不借助特殊工具),简单易学是其最强大的优势。

二进制协议优势就是性能和安全性。但是调试麻烦。

两者各有千秋,按需选择。


(转发请注明转自:学PHP)    


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