数据包协议设计（通讯协议的设计）

Posted 2022-11-28 紫夜君

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了数据包协议设计（通讯协议的设计）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、为什么要设计通讯协议

通常，多设备之间进行通讯多使用数据包的方式。

如何从一堆的数据中确定哪些是有效数据，以及这些数据要表达什么意思。

为解决这些问题，通常我们需要设计一个通讯协议，依照通讯协议对数据进行解析，就能够正确的找到并使用这些数据。

二、通讯协议的一般格式

帧头	帧长度	帧序号	帧命令	帧数据		校验字	帧尾
HEAD	DATA_LEN	FRAME_SEQ	CMD	R/W	DATA	CRC	TAIL
2 Bit	4 Bit	2 Bit	1 Bit	1 Bit	N Bit	2 Bit	2 Bit

其中，帧数据包括读写类型以及相关参数

例如：读取命令的格式为

帧头	帧长度	帧序号	帧命令	帧数据（读）		校验字	帧尾
HEAD	DATA_LEN	FRAME_SEQ	CMD	R	DATA	CRC	TAIL
2 Bit	4 Bit	2 Bit	1 Bit	1 Bit	0 Bit	2 Bit	2 Bit

读取数据中可以不需要跟其他数据,所以之后的DATA为0 bit。

写入命令的格式为

帧头	帧长度	帧序号	帧命令	帧数据（写）		校验字	帧尾
HEAD	DATA_LEN	FRAME_SEQ	CMD	W	DATA	CRC	TAIL
2 Bit	4 Bit	2 Bit	1 Bit	1 Bit	N Bit	2 Bit	2 Bit

写数据之后需要跟上写入的数据内容，所以DATA为N Bit,对应需要写入的数据内容。

三、程序

依照通讯协议的格式，编写好对应的打包和解包程序即可

参考：CRC校验程序编写

3.1 打包程序编写

打包程序主要用于将待发送的数据包进行打包处理。

可以参考以下程序。

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>

const uint16_t crc_ta_8[256] =  /* CRC 字节余式表 */
	0x0000, 0x1021, 0x2042, 0x3063, 0x4084, 0x50a5, 0x60c6, 0x70e7,
	0x8108, 0x9129, 0xa14a, 0xb16b, 0xc18c, 0xd1ad, 0xe1ce, 0xf1ef,
	0x1231, 0x0210, 0x3273, 0x2252, 0x52b5, 0x4294, 0x72f7, 0x62d6,
	0x9339, 0x8318, 0xb37b, 0xa35a, 0xd3bd, 0xc39c, 0xf3ff, 0xe3de,
	0x2462, 0x3443, 0x0420, 0x1401, 0x64e6, 0x74c7, 0x44a4, 0x5485,
	0xa56a, 0xb54b, 0x8528, 0x9509, 0xe5ee, 0xf5cf, 0xc5ac, 0xd58d,
	0x3653, 0x2672, 0x1611, 0x0630, 0x76d7, 0x66f6, 0x5695, 0x46b4,
	0xb75b, 0xa77a, 0x9719, 0x8738, 0xf7df, 0xe7fe, 0xd79d, 0xc7bc,
	0x48c4, 0x58e5, 0x6886, 0x78a7, 0x0840, 0x1861, 0x2802, 0x3823,
	0xc9cc, 0xd9ed, 0xe98e, 0xf9af, 0x8948, 0x9969, 0xa90a, 0xb92b,
	0x5af5, 0x4ad4, 0x7ab7, 0x6a96, 0x1a71, 0x0a50, 0x3a33, 0x2a12,
	0xdbfd, 0xcbdc, 0xfbbf, 0xeb9e, 0x9b79, 0x8b58, 0xbb3b, 0xab1a,
	0x6ca6, 0x7c87, 0x4ce4, 0x5cc5, 0x2c22, 0x3c03, 0x0c60, 0x1c41,
	0xedae, 0xfd8f, 0xcdec, 0xddcd, 0xad2a, 0xbd0b, 0x8d68, 0x9d49,
	0x7e97, 0x6eb6, 0x5ed5, 0x4ef4, 0x3e13, 0x2e32, 0x1e51, 0x0e70,
	0xff9f, 0xefbe, 0xdfdd, 0xcffc, 0xbf1b, 0xaf3a, 0x9f59, 0x8f78,
	0x9188, 0x81a9, 0xb1ca, 0xa1eb, 0xd10c, 0xc12d, 0xf14e, 0xe16f,
	0x1080, 0x00a1, 0x30c2, 0x20e3, 0x5004, 0x4025, 0x7046, 0x6067,
	0x83b9, 0x9398, 0xa3fb, 0xb3da, 0xc33d, 0xd31c, 0xe37f, 0xf35e,
	0x02b1, 0x1290, 0x22f3, 0x32d2, 0x4235, 0x5214, 0x6277, 0x7256,
	0xb5ea, 0xa5cb, 0x95a8, 0x8589, 0xf56e, 0xe54f, 0xd52c, 0xc50d,
	0x34e2, 0x24c3, 0x14a0, 0x0481, 0x7466, 0x6447, 0x5424, 0x4405,
	0xa7db, 0xb7fa, 0x8799, 0x97b8, 0xe75f, 0xf77e, 0xc71d, 0xd73c,
	0x26d3, 0x36f2, 0x0691, 0x16b0, 0x6657, 0x7676, 0x4615, 0x5634,
	0xd94c, 0xc96d, 0xf90e, 0xe92f, 0x99c8, 0x89e9, 0xb98a, 0xa9ab,
	0x5844, 0x4865, 0x7806, 0x6827, 0x18c0, 0x08e1, 0x3882, 0x28a3,
	0xcb7d, 0xdb5c, 0xeb3f, 0xfb1e, 0x8bf9, 0x9bd8, 0xabbb, 0xbb9a,
	0x4a75, 0x5a54, 0x6a37, 0x7a16, 0x0af1, 0x1ad0, 0x2ab3, 0x3a92,
	0xfd2e, 0xed0f, 0xdd6c, 0xcd4d, 0xbdaa, 0xad8b, 0x9de8, 0x8dc9,
	0x7c26, 0x6c07, 0x5c64, 0x4c45, 0x3ca2, 0x2c83, 0x1ce0, 0x0cc1,
	0xef1f, 0xff3e, 0xcf5d, 0xdf7c, 0xaf9b, 0xbfba, 0x8fd9, 0x9ff8,
	0x6e17, 0x7e36, 0x4e55, 0x5e74, 0x2e93, 0x3eb2, 0x0ed1, 0x1ef0
;


const int PACKET_HEAD1 = 0xF1; //假设帧头的第一个字节为 0xF1 (这个可以自己定义)
const int PACKET_HEAD2 = 0x1F; //假设帧头的第二个字节为 0x1F (这个可以自己定义)
const int PACKET_TAIL1 = 0xF2; //假设帧尾的第一个字节为 0xF2 (这个可以自己定义)
const int PACKET_TAIL2 = 0x2F; //假设帧尾的第二个字节为 0x2F (这个可以自己定义)
static uint16_t g_frame_seq = 0; //设置全局变量，帧序号

/*函数名称：crc_cal_by_byte;按字节计算CRC
函数参数：uint8_t *ptr:指向发送缓冲区的首字节
uint32_t len:要发送的总字节数
函数返回值：uint16_t
多项式采用CRC-CCITT 0x1021
*/
uint16_t crc_cal_by_byte(uint8_t *ptr, uint32_t len)

	uint16_t  crc = 0xffff;

	while (len-- != 0)
	
		uint16_t high = (unsigned int)(crc / 256); //取CRC高8位
		crc <<= 8;
		crc ^= crc_ta_8[high^*ptr];
		ptr++;
	
	return crc;


/*函数名称：create_cmd_pack; 命令包打包
函数参数：uint8_t *input_buf: 需要进行打包的数据包（输入
		  uint32_t input_buf_len: 需要进行打包处理的数据包长度（输入
		  uint8_t cmd: 需要进行封包的命令字节（输入
		  uint8_t *ret_buf: 返回打包完成的数据包（输出
函数返回值：void
*/
void create_cmd_pack(uint8_t *input_buf, uint32_t input_buf_len, uint8_t cmd, uint8_t *ret_buf)

	uint16_t crc_val = 0;
	uint32_t index = 0;
	uint32_t len = input_buf_len + 4 + 1 + 2 + 2 + 2; //4个命令长度， 2个帧序号， 1个命令字节，2个CRC校验，2个包尾（len表示出包头以外的数据包长度
	do
	
		ret_buf[index++] = (uint8_t)PACKET_HEAD1;
		ret_buf[index++] = (uint8_t)PACKET_HEAD2;
		//len 由高到低存储
		ret_buf[index++] = (uint8_t)(len >> 24) & 0xff;
		ret_buf[index++] = (uint8_t)(len >> 16) & 0xff;
		ret_buf[index++] = (uint8_t)(len >> 8) & 0xff;
		ret_buf[index++] = (uint8_t)(len) & 0xff;
		//g_frame_seq 由高到低存储
		ret_buf[index++] = (uint8_t)(g_frame_seq >> 8) & 0xff;
		ret_buf[index++] = (uint8_t)(g_frame_seq) & 0xff;
		ret_buf[index++] = (uint8_t)cmd;
		for (int i = 0; i<input_buf_len; i++)
		
			ret_buf[index++] = input_buf[i];
		
		crc_val = crc_cal_by_byte(ret_buf + 2, index - 2); //CRC校验

		//CRC 由高到低存储
		ret_buf[index++] = (crc_val >> 8) & 0xff;
		ret_buf[index++] = (crc_val >> 0) & 0xff;

		ret_buf[index++] = (uint8_t)PACKET_TAIL1;
		ret_buf[index++] = (uint8_t)PACKET_TAIL2;
	 while (0);

测试

int main()

	//最大计算65535个数据包
	if (g_frame_seq == 65535)
	
		g_frame_seq = 0;
	
	g_frame_seq++; //帧序号+1
	uint8_t test_in_buf[3] =  0x01, 0xa1,0xa2 ; // 现在假设 0x01为写的标志，则0xa1 0xa2则为写的数据
	uint8_t test_out_buf[3 + 2 + 4 + 2 + 1 + 2 + 2] =  0 ; // 3:数据，2:帧头，4:数据长度，2:帧序列 1：命令 2：CRC校验 2：帧尾
	create_cmd_pack(test_in_buf, 3, 0x22, test_out_buf); //现在假设要执行0x22命令
	//输出打包好的数据包
	for (int i = 0; i < 16; i++)
	
		printf("0x%02x ", test_out_buf[i]);

输出结果：

0xf1 0x1f 0x00 0x00 0x00 0x0e 0x00 0x01 0x22 0x01 0xa1 0xa2 0x2f 0x11 0xf2 0x2f

3.2 解包程序编写

解包程序主要用于将收到的数据包进行解包处理。

可以参考以下程序。

/*函数名称：analysis_return_pack; 解析命令包
函数参数：uint8_t *input_buf: 带解析的数据包（输入
uint32_t input_buf_len: 需要进行打包处理的数据包长度（输入
uint8_t *ret_buf: 解析后的数据包（输出
函数返回值：uint32_t 解析后的数据包长度
*/
uint32_t analysis_return_pack(uint8_t *input_buf, uint8_t *ret_buf)

	uint32_t pack_len = 0, retpack_len = 0;
	do
	
		if ((input_buf == NULL) || (ret_buf == NULL))
		
			retpack_len = 0;
			break;
		
		/*检查包头信息*/
		if ((input_buf[0] == PACKET_HEAD1) && (input_buf[1] == PACKET_HEAD2))
		

			pack_len = (uint32_t)((input_buf[2]<< 24) | (input_buf[3] << 16) | (input_buf[4] << 8) | (input_buf[5] << 0));
			//读取CRC校验
			uint16_t crc_ret = (uint16_t)((input_buf[pack_len + 2 - 4]) << 8 | (input_buf[pack_len + 2 - 3]) << 0);
			//计算CRC校验
			uint16_t crc_cal = crc_cal_by_byte(input_buf + 2, pack_len - 2 - 2);  //input_buf + 2 ： 首地址偏移两个字节 pack_len - 2 - 2：长度 - CRC - 帧尾 + 当前
			//比较两者的CRC校验
			if (crc_ret != crc_cal)
			
				retpack_len = 0;
				break;
			
			else
			
				/*报文长度DataLen4 + 帧序列2 + crc 2 + 报尾2*/
				for (int i = 0; i < pack_len - 10; i++)
				
					//从命令字开始读
					ret_buf[i] = input_buf[2+ 4 + 2 + i]; //去掉包头2，长度4，帧序列2
				
				retpack_len = pack_len -10;

			
		
	 while (0);
	return retpack_len;

测试：

int main()

	//最大计算65535个数据包
	if (g_frame_seq == 65535)
	
		g_frame_seq = 0;
	
	g_frame_seq++; //帧序号+1
	uint8_t test_in_buf[3] =  0x01, 0xa1,0xa2 ; // 现在假设 0x01为写的标志，则0xa1 0xa2则为写的数据
	uint8_t test_out_buf[3 + 2 + 4 + 2 + 1 + 2 + 2] =  0 ; // 3:数据，2:帧头，4:数据长度，2:帧序列 1：命令 2：CRC校验 2：帧尾
	create_cmd_pack(test_in_buf, 3, 0x22, test_out_buf); //现在假设要执行0x22命令
	//现在假设 test_out_buf 为收到的包，对其进行解析
	uint8_t test_buf[4] =  0 ;
	uint32_t ret = analysis_return_pack(test_out_buf, test_buf);
	if (ret != 0)
	
		printf("\\n");
		printf("命令字节: 0x%02x \\n", test_buf[0]);
		printf("读写命令: 0x%02x\\n", test_buf[1]);
		printf("数据: 0x%02x\\n", test_buf[2]);
		printf("数据: 0x%02x\\n", test_buf[3]);

结果：

命令字节: 0x22
读写命令: 0x01
数据: 0xa1
数据: 0xa2

以上是关于数据包协议设计（通讯协议的设计）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

数据包协议设计（通讯协议的设计）

2018-2019-1 20165202 实验五通讯协议设计

2019-2020-12 20175313 20175328 20175329 实验五通讯协议设计

2018-2019-1 20165336 20165333 20165323实验五通讯协议设计

2018-2019-1-20165221&20165225 《信息安全系统设计》实验五：通讯协议设计

2018-2019-1 20165212 实验五通讯协议设计