如何實(shí)現(xiàn)自定義的應(yīng)用層協(xié)議呢？

簡述

互聯(lián)網(wǎng)上充斥著各種各樣的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，在對外提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時(shí)，服務(wù)端和客戶端需要遵循同一套數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，才能正常的進(jìn)行通訊；就好像你跟臺(tái)灣人溝通用閩南語，跟廣東人溝通就用粵語一樣。

實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用功能時(shí)，已知的知名協(xié)議（http，smtp，ftp等）在安全性、可擴(kuò)展性等方面不能滿足需求，從而需要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用層協(xié)議。

2.協(xié)議分類

2.1按編碼方式

二進(jìn)制協(xié)議比如網(wǎng)絡(luò)通信運(yùn)輸層中的tcp協(xié)議。

明文的文本協(xié)議比如應(yīng)用層的http、redis協(xié)議。

混合協(xié)議（二進(jìn)制+明文）比如蘋果公司早期的APNs推送協(xié)議。

2.2按協(xié)議邊界

固定邊界協(xié)議能夠明確得知一個(gè)協(xié)議報(bào)文的長度，這樣的協(xié)議易于解析，比如tcp協(xié)議。

模糊邊界協(xié)議無法明確得知一個(gè)協(xié)議報(bào)文的長度，這樣的協(xié)議解析較為復(fù)雜，通常需要通過某些特定的字節(jié)來界定報(bào)文是否結(jié)束，比如http協(xié)議。

3.協(xié)議優(yōu)劣的基本評判標(biāo)準(zhǔn)

高效的快速的打包解包減少對cpu的占用，高數(shù)據(jù)壓縮率降低對網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用。

簡單的易于人的理解、程序的解析。

易于擴(kuò)展的對可預(yù)知的變更，有足夠的彈性用于擴(kuò)展。

容易兼容的

向前兼容，對于舊協(xié)議發(fā)出的報(bào)文，能使用新協(xié)議進(jìn)行解析，只是新協(xié)議支持的新功能不能使用。

向后兼容，對于新協(xié)議發(fā)出的報(bào)文，能使用舊協(xié)議進(jìn)行解析，只是新協(xié)議支持的新功能不能使用。

4.自定義應(yīng)用層協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1優(yōu)點(diǎn)

非知名協(xié)議，數(shù)據(jù)通信更安全，黑客如果要分析協(xié)議的漏洞就必須先破譯你的通訊協(xié)議。

擴(kuò)展性更好，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求和發(fā)展擴(kuò)展自己的協(xié)議，而已知的知名協(xié)議不好擴(kuò)展。

4.2缺點(diǎn)

設(shè)計(jì)難度高，協(xié)議需要易擴(kuò)展，最好能向后向前兼容。

實(shí)現(xiàn)繁瑣，需要自己實(shí)現(xiàn)序列化和反序列化。

5.動(dòng)手前的預(yù)備知識

5.1大小端

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)起始地址是高地址還是低地址。

大端從高地址開始存儲(chǔ)。

小端從低地址開始存儲(chǔ)。

圖解

判斷這里以c/c++語言代碼為例，使用了c語言中聯(lián)合體的特性。

5.2網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序

顧名思義就是數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳送的字節(jié)流中的起始地址的高低，為了避免在網(wǎng)絡(luò)通信中引入其他復(fù)雜性，網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序統(tǒng)一是大端的。

5.3本地字節(jié)序

本地操作系統(tǒng)的大小端，不同操作系統(tǒng)可能采用不同的字節(jié)序。

5.4內(nèi)存對象與布局

任何變量，不管是堆變量還是棧變量都對應(yīng)著操作系統(tǒng)中的一塊內(nèi)存，由于內(nèi)存對齊的要求程序中的變量并不是緊湊存儲(chǔ)的，例如一個(gè)c語言的結(jié)構(gòu)體Test在內(nèi)存中的布局可能如下圖所示。

5.5序列化與反序列化

將計(jì)算機(jī)語言中的內(nèi)存對象轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)流，例如把c語言中的結(jié)構(gòu)體Test轉(zhuǎn)化成uint8_t data[6]字節(jié)流。

將網(wǎng)絡(luò)字節(jié)流轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)語言中的內(nèi)存對象，例如把uint8_t data[6]字節(jié)流轉(zhuǎn)化成c語言中的結(jié)構(gòu)體Test。

6.一個(gè)例子

6.1 協(xié)議設(shè)計(jì)

本協(xié)議采用固定邊界+混合編碼策略。

協(xié)議頭8字節(jié)的定長協(xié)議頭。支持版本號，基于魔數(shù)的快速校驗(yàn)，不同服務(wù)的復(fù)用。定長協(xié)議頭使協(xié)議易于解析且高效。

協(xié)議體變長json作為協(xié)議體。json使用明文文本編碼，可讀性強(qiáng)、易于擴(kuò)展、前后兼容、通用的編解碼算法。json協(xié)議體為協(xié)議提供了良好的擴(kuò)展性和兼容性。

協(xié)議可視化圖

6.2 協(xié)議實(shí)現(xiàn)

talk is easy，just code it，使用c/c++語言來實(shí)現(xiàn)。

6.2.1c/c++語言實(shí)現(xiàn)

使用結(jié)構(gòu)體MyProtoHead來存儲(chǔ)協(xié)議頭

6.2.2打包（序列化）

6.2.3解包（反序列化）

7.完整源碼與測試

code is easy，just run it.

7.1源碼

7.2運(yùn)行測試

8.總結(jié)

不到350行的代碼向我們展示了一個(gè)自定義的應(yīng)用層協(xié)議該如何實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然這個(gè)協(xié)議是不夠完善的，還可以對其完善，比如對協(xié)議體進(jìn)行加密加強(qiáng)協(xié)議的安全性等。

審核編輯：劉清