自定义通信协议设计基础

Posted 2022-08-05 xuexiaodong2009

         对于很多设备之间的通信，经常需要自己设计一套通信协议。当然此处的通信协议一般都是建立在TCPIP协议等协议基础之上的协议，也就是在已有协议的基础之上，在定义一套协议。例如：有一套检测降雨量的设备（一般为简单的嵌入式设备）需要把采集到的的数据上报给中心服务器（一般为一台性能特别好的计算机）。就需要一套通信协议。以保证，嵌入式设备上发的数据，可以被中心服务器正确的理解和处理。再例如：在桥梁检测的项目中，会检测很多桥梁的数据，应力，索力，温度等，这些检测设备一般都是由简单的传感器组成的嵌入式设备 ，需要通过各种方式把采集到的的数据上报给中心服务器，中心服务器经过分析处理后，再进一步判断桥梁的各种状态。这些都涉及到自定义通信协议。

   但这些自定义通信协议如何设计？有设计到那些方面？

  协议的设计，是为了保证双方能够正常的通信，由于上位设备和下位设备一般是不同的设备，处理能力有很大差异，这些都是设计协议必须考虑的问题。

  一套完整的协议，通常包含很多命令，每一个命令都会规定一个完整的命令（也就是一个完整的数据帧）包含哪些部分，一般包含以下几部分：

  1数据帧的组成的形式

   一般形式有字节流（有的地方也叫做二进制协议）和字符流。字节流一般会规定每一个字节表示的含义，而字符流由于都是可见的字符，一般会规定，字符的含义。

2数据帧头和尾

     数据帧头和尾其实是为了解析数据而设计的，主要是为了获取一个完整的帧。由于网络的不确定性，无法保证一条完整的数据帧的一次性就发送给对方。一般选择用很少出现的字节或者字符作为数据帧头和尾。

   例如我曾经解析过得MODE 04 PROTOCOL的一套协议，就是以0x03，0x14开头的，由于MODE 04 PROTOCOL是字节流协议，因此规定了命令的开头两个字节是0x03，0x14，还曾经解析过字符流的协议，命令是以##开头。数据帧尾有时会有，有时没有，例如MODE 04 PROTOCOL就没有协议尾，因为它有两个字节表示本条数据帧的长度，所以没必要规定数据帧尾。相反，如果无法判断一条命令的长度，就会规定数据帧如何结束。如果数据帧长度都是一样的，也没有必要规定，但实际中很少遇到数据帧长度是固定的情况。

3数据帧的验证部分

  对于字节流的协议，一般会规定验证数据帧的验证部分，例如MODE 04 PROTOCOL就规定了数据帧最后两个字节是crc验证部分。

对于字符流的也可以加验证字段，但因为每一部分都都是可视的字符，也可以不加。

4转义字符

    再少出现的字符由于数据帧内容的不确定性，也有可能在数据帧内部出现，例如：MODE 04 PROTOCOL协议当数据帧内部出现了0x03，0x14，也就是数据帧规定的开始部分，就必须转义，否则就会解析出错。导致一个数据帧变成两部分不完整无法理解的数据帧。

5命令字及其他

    命令字就是标示此数据帧，需要完成的命令，例如：读取时间命令数据帧，就有一部分标示此数据帧是读取时间，设置时间命令数据帧就有一部分标示此数据帧是用来设置时间的，当然会有命令内容例如把时间调整到多少。

6心跳包

  心跳包作为一条很特殊的数据帧，作用其实和人的心跳类似。每隔一段时间，就会发送一条很特殊的数据帧心跳包。作用就是表明此设备还在工作。

例如QQ的在上状态应该就是通过类似心跳包的设计来完成的。但在无线领域还有其他作用，避免已经建立的链接断开。尤其数据是通过GPRS发送时，如果长时间不发送数据，网络运营商就会回收链接，下次发送数据时，就必须重新建立链接，这对于需要永远在线的设备或者是需要随时唤醒的设备来说，显然是不行的。

对比：

    字节流协议难度显然比字符流大很多，解析过程也更复杂，如果没有协议文档，几乎不能解析，因为收到的就是一串毫无意思的数字，一个字节处理错误就完全可能导致整条数据解析错误，此外字节流还需要规定大端模式和小端模式等。当然好处就是，传输同样的信息，数据量明显少很多。

   字符流就简单很多，解析的过程可能就是一个正则表达式。