简述

互联网上充斥着各种各样的网络服务，在对外提供网络服务时，服务端和客户端需要遵循同一套数据通讯协议，才能正常的进行通讯；就好像你跟台湾人沟通用闽南语，跟广东人沟通就用粤语一样。

实现自己的应用功能时，已知的知名协议（http，smtp，ftp等）在安全性、可扩展性等方面不能满足需求，从而需要设计并实现自己的应用层协议。

2.协议分类

2.1按编码方式

二进制协议 比如网络通信运输层中的tcp协议。

明文的文本协议 比如应用层的http、redis协议。

混合协议（二进制+明文） 比如苹果公司早期的APNs推送协议。

2.2按协议边界

固定边界协议 能够明确得知一个协议报文的长度，这样的协议易于解析，比如tcp协议。

模糊边界协议 无法明确得知一个协议报文的长度，这样的协议解析较为复杂，通常需要通过某些特定的字节来界定报文是否结束，比如http协议。

3.协议优劣的基本评判标准

高效的 快速的打包解包减少对cpu的占用，高数据压缩率降低对网络带宽的占用。

简单的 易于人的理解、程序的解析。

易于扩展的 对可预知的变更，有足够的弹性用于扩展。

容易兼容的

向前兼容，对于旧协议发出的报文，能使用新协议进行解析，只是新协议支持的新功能不能使用。

向后兼容，对于新协议发出的报文，能使用旧协议进行解析，只是新协议支持的新功能不能使用。

4.自定义应用层协议的优缺点

4.1优点

非知名协议，数据通信更安全，黑客如果要分析协议的漏洞就必须先破译你的通讯协议。

扩展性更好，可以根据业务需求和发展扩展自己的协议，而已知的知名协议不好扩展。

4.2缺点

设计难度高，协议需要易扩展，最好能向后向前兼容。

实现繁琐，需要自己实现序列化和反序列化。

5.动手前的预备知识

5.1大小端

计算机系统在存储数据时起始地址是高地址还是低地址。

大端 从高地址开始存储。

小端 从低地址开始存储。

图解

判断 这里以c/c++语言代码为例，使用了c语言中联合体的特性。

5.2网络字节序

顾名思义就是数据在网络传送的字节流中的起始地址的高低，为了避免在网络通信中引入其他复杂性，网络字节序统一是大端的。

5.3本地字节序

本地操作系统的大小端，不同操作系统可能采用不同的字节序。

5.4内存对象与布局

任何变量，不管是堆变量还是栈变量都对应着操作系统中的一块内存，由于内存对齐的要求程序中的变量并不是紧凑存储的，例如一个c语言的结构体Test在内存中的布局可能如下图所示。

structTest{chara;charb;int32_tc;
};

5.5序列化与反序列化

将计算机语言中的内存对象转换为网络字节流，例如把c语言中的结构体Test转化成uint8_t data[6]字节流。

将网络字节流转换为计算机语言中的内存对象，例如把uint8_t data[6]字节流转化成c语言中的结构体Test。

6.一个例子

6.1 协议设计

本协议采用固定边界+混合编码策略。

协议头 8字节的定长协议头。支持版本号，基于魔数的快速校验，不同服务的复用。定长协议头使协议易于解析且高效。

协议体 变长json作为协议体。json使用明文文本编码，可读性强、易于扩展、前后兼容、通用的编解码算法。json协议体为协议提供了良好的扩展性和兼容性。

协议可视化图

6.2 协议实现

talk is easy，just code it，使用c/c++语言来实现。

6.2.1c/c++语言实现

使用结构体MyProtoHead来存储协议头

/*
    协议头
*/structMyProtoHead{uint8_tversion;//协议版本号uint8_tmagic;//协议魔数uint16_tserver;//协议复用的服务号，标识协议之上的不同服务uint32_tlen;//协议长度（协议头长度+变长json协议体长度）};

使用开源的Jsoncpp类来存储协议体https://sourceforge.net/proje...

协议消息体

/*
    协议消息体
*/structMyProtoMsg{MyProtoHead head;//协议头Json::Value body;//协议体};

打包类

/*
    MyProto打包类
*/classMyProtoEnCode{public:
    //协议消息体打包函数
    uint8_t *encode(MyProtoMsg * pMsg, uint32_t & len);private:
    //协议头打包函数
    voidheadEncode(uint8_t * pData, MyProtoMsg * pMsg);
};

解包类

typedefenumMyProtoParserStatus
{
    ON_PARSER_INIT =0,
    ON_PARSER_HAED =1,
    ON_PARSER_BODY =2,
}MyProtoParserStatus;/*
    MyProto解包类
*/classMyProtoDeCode{public:voidinit();voidclear();boolparser(void* data,size_tlen);boolempty();MyProtoMsg *front();voidpop();private:boolparserHead(uint8_t** curData,uint32_t& curLen,uint32_t& parserLen,bool& parserBreak);boolparserBody(uint8_t** curData,uint32_t& curLen,uint32_t& parserLen,bool& parserBreak);private:
    MyProtoMsg mCurMsg;//当前解析中的协议消息体queue<MyProtoMsg *> mMsgQ;//解析好的协议消息队列vector<uint8_t> mCurReserved;//未解析的网络字节流MyProtoParserStatus mCurParserStatus;//当前解析状态};

6.2.2打包（序列化）

voidMyProtoEnCode::headEncode(uint8_t* pData, MyProtoMsg * pMsg)
{//设置协议头版本号为1*pData =1;
    ++pData;//设置协议头魔数*pData = MY_PROTO_MAGIC;
    ++pData;//设置协议服务号，把head.server本地字节序转换为网络字节序*(uint16_t*)pData = htons(pMsg->head.server);
    pData +=2;//设置协议总长度，把head.len本地字节序转换为网络字节序*(uint32_t*)pData = htonl(pMsg->head.len);
}uint8_t* MyProtoEnCode::encode(MyProtoMsg * pMsg,uint32_t& len)
{uint8_t* pData =NULL;
    Json::FastWriter fWriter;//协议json体序列化stringbodyStr = fWriter.write(pMsg->body);//计算协议消息序列化后的总长度len = MY_PROTO_HEAD_SIZE + (uint32_t)bodyStr.size();
    pMsg->head.len = len;//申请协议消息序列化需要的空间pData =newuint8_t[len];//打包协议头headEncode(pData, pMsg);//打包协议体memcpy(pData + MY_PROTO_HEAD_SIZE, bodyStr.data(), bodyStr.size());returnpData;
}

6.2.3解包（反序列化）

boolMyProtoDeCode::parserHead(uint8_t** curData,uint32_t& curLen,uint32_t& parserLen,bool& parserBreak)
{
    parserBreak =false;if(curLen < MY_PROTO_HEAD_SIZE)
    {
        parserBreak =true;//终止解析returntrue;
    }uint8_t* pData = *curData;//解析版本号mCurMsg.head.version = *pData;
    pData++;//解析魔数mCurMsg.head.magic = *pData;
    pData++;//魔数不一致，则返回解析失败if(MY_PROTO_MAGIC != mCurMsg.head.magic)
    {returnfalse;
    }//解析服务号mCurMsg.head.server = ntohs(*(uint16_t*)pData);
    pData+=2;//解析协议消息体的长度mCurMsg.head.len = ntohl(*(uint32_t*)pData);//异常大包，则返回解析失败if(mCurMsg.head.len > MY_PROTO_MAX_SIZE)
    {returnfalse;
    }//解析指针向前移动MY_PROTO_HEAD_SIZE字节(*curData) += MY_PROTO_HEAD_SIZE;
    curLen -= MY_PROTO_HEAD_SIZE;
    parserLen += MY_PROTO_HEAD_SIZE;
    mCurParserStatus = ON_PARSER_HAED;returntrue;
}boolMyProtoDeCode::parserBody(uint8_t** curData,uint32_t& curLen,uint32_t& parserLen,bool& parserBreak)
{
    parserBreak =false;uint32_tjsonSize = mCurMsg.head.len - MY_PROTO_HEAD_SIZE;if(curLen < jsonSize)
    {
        parserBreak =true;//终止解析returntrue;
    }

    Json::Reader reader;//json解析类if(!reader.parse((char*)(*curData),
        (char*)((*curData) + jsonSize), mCurMsg.body,false))
    {returnfalse;
    }//解析指针向前移动jsonSize字节(*curData) += jsonSize;
    curLen -= jsonSize;
    parserLen += jsonSize;
    mCurParserStatus = ON_PARSER_BODY;returntrue;
}boolMyProtoDeCode::parser(void* data,size_tlen)
{if(len <=0)
    {returnfalse;
    }uint32_tcurLen =0;uint32_tparserLen =0;uint8_t* curData =NULL;
   
    curData = (uint8_t*)data;//把当前要解析的网络字节流写入未解析完字节流之后while(len--)
    {
        mCurReserved.push_back(*curData);
        ++curData;
    }

    curLen = mCurReserved.size();
    curData = (uint8_t*)&mCurReserved[0];//只要还有未解析的网络字节流，就持续解析while(curLen >0)
    {boolparserBreak =false;//解析协议头if(ON_PARSER_INIT == mCurParserStatus ||
            ON_PARSER_BODY == mCurParserStatus)
        {if(!parserHead(&curData, curLen, parserLen, parserBreak))
            {returnfalse;
            }if(parserBreak)break;
        }//解析完协议头，解析协议体if(ON_PARSER_HAED == mCurParserStatus)
        {if(!parserBody(&curData, curLen, parserLen, parserBreak))
            {returnfalse;
            }if(parserBreak)break;
        }if(ON_PARSER_BODY == mCurParserStatus)
        {//拷贝解析完的消息体放入队列中MyProtoMsg * pMsg =NULL;
            pMsg =newMyProtoMsg;
            *pMsg = mCurMsg;
            mMsgQ.push(pMsg);
        }
    }if(parserLen >0)
    {//删除已经被解析的网络字节流mCurReserved.erase(mCurReserved.begin(), mCurReserved.begin() + parserLen);
    }returntrue;
}

7.完整源码与测试

code is easy，just run it.

7.2运行测试

转载自：技术让梦想更伟大文章来源于如何高效实现自定义的应用层协议原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/qB459xmAFsZjReYVOub8YQ