一次徹底搞透協(xié)議設計（沒做過通訊底層也沒有關系）！

閣樓的貓s859sx 2019-05-23

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系統(tǒng)設計，協(xié)議先行。

大部分人不了解協(xié)議的設計細節(jié)，更多使用已有協(xié)議進行應用層設計，例如：

（1）使用HTTP，設計get/post/cookie參數(shù)，以及json包格式；

（2）使用dubbo，而不用去深究內(nèi)部的二進制包頭包體細節(jié)；

無論如何，了解協(xié)議設計的原則，對深入理解系統(tǒng)通信非常有幫助。

一、協(xié)議的分層設計
所謂“協(xié)議”，是雙方共同遵守的規(guī)則，例如：離婚協(xié)議，停戰(zhàn)協(xié)議。協(xié)議有語法、語義、時序三要素：
（1）語法，即數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式；
（2）語義，即需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應；
（3）時序，即事件實現(xiàn)順序的詳細說明；

畫外音：后文主要講語法設計。

協(xié)議設計通常分為三層：應用層協(xié)議、安全層協(xié)議、傳輸層協(xié)議。

下面分別看下這三層的協(xié)議應該如何選型。

二、應用層協(xié)議設計

應用層協(xié)議選型，常見的有三種：文本協(xié)議、二進制協(xié)議、流式XML協(xié)議。

文本協(xié)議

文本協(xié)議是指“貼近人類書面語言表達”的通訊傳輸協(xié)議，典型的協(xié)議是HTTP協(xié)議，一個HTTP協(xié)議的請求報文樣例如下：

GET / HTTP/1.1
User-Agent: curl
Host: musicml.net
Accept: */*

文本協(xié)議的特點是：
（1）可讀性好，便于調(diào)試；
（2）擴展性較好，能通過key:value擴展；
（3）解析效率不高，一行一行讀入，按照冒號分割，解析key和value；
（4）對二進制不友好，比如語音/視頻等；

二進制協(xié)議
二進制協(xié)議即binary協(xié)議，典型是IP協(xié)議，以下是IP協(xié)議的一個圖示：

二進制協(xié)議一般包含：

（1）定長包頭；

（2）可擴展變長包體；

（3）一般每個字段有固定的含義，以IP協(xié)議為例，前4個bit表示協(xié)議版本號（Version）；

二進制協(xié)議的特點是：

（1）可讀性差，難于調(diào)試；

畫外音：打日志一般需要一個toString()函數(shù)增強可讀性。

（2）擴展性不好，如果要擴展字段，舊版協(xié)議就不兼容了，所以設計時一般會有一個Version字段；
（3）解析效率超高，幾乎沒有解析代價，二進制流的每個字段表示固定含義；
（4）天然支持二進制流，比如語音/視頻；

這是一個典型的16字節(jié)二進制定長包頭的例子：

//sizeof(cs_header)=16
struct cs_header {
uint32_t version;
uint32_t magic_num;
uint32_t cmd;
uint32_t len;
uint8_t data[];
}__attribute__((packed));

其中：

（1）前4個字節(jié)表示版本號version；

（2）接下來4個字節(jié)表示魔法數(shù)字magic_num，用來解決數(shù)據(jù)錯位或丟包問題；

畫外音：例如，約定好魔法數(shù)字是0x01020304，收到的報文，魔法數(shù)字匹配，認為是正常報文，否則認為是報文異常，斷開連接。

（3）接下來4個字節(jié)表示命令號command，不同的命令號對應不同的變長包體；
（4）最后4個字節(jié)表示包體長度length，以確定變長包體有多少字節(jié)；

這是一個實際的二進制變長包體：

message CUserLoginReq {
optional string username = 1;
optional string passwd = 2;
}
message CUserLoginResp {
optional uint64 uid =1;
}

它使用的是Google的Protobuf協(xié)議，容易看到：

（1）請求報文傳入的是用戶名與密碼；

（2）響應包返回的是用戶的uid；

PB是很流行的二進制變長包體協(xié)議，其優(yōu)點為：
（1）通用，可以生成C 、Java、PHP等多語言代碼；

（2）自帶壓縮功能；

（3）對二進制友好；

（4）在工業(yè)界已廣泛應用；
畫外音：Google出品，必屬精品。

流式XML協(xié)議
流式XML似乎是文本協(xié)議的一個特例，亦可以單獨作為一類。例如：xmpp就是典型的流式XML協(xié)議，下面是xmpp協(xié)議的一個典型報文：

<message
to=’romeo@example.net’
from=’juliet@example.com’
type=’chat’
xml : lang=’en’>
<body>Wherefore art thou, Romeo?</body>
</message>

從xml標簽中大致可以判斷這是一個romeo發(fā)給juliet的聊天消息。

XML協(xié)議有幾個特點：
（1）可讀性好，擴展性好，這是XML的特性；
（2）解析代價超高，需要進行dom樹分析；

（3）有效數(shù)據(jù)傳輸率超低，有大量的標簽；

（4）對二進制不友好，比如語音/視頻等；

三、安全層協(xié)議設計

安全層協(xié)議設計，除了使用SSL，自行實現(xiàn)的話，常見的又有以下三種方案。

畫外音：SSL秘鑰管理是個問題。

固定密鑰
服務端和客戶端約定好一個密鑰，同時約定好一個加密算法（例如：AES），每次客戶端發(fā)送報文前，就用約定好的算法，以及約定好的密鑰加密再傳輸，服務端收到報文后，用約定好的算法，約定好的密鑰再解密。

畫外音：安全性低，安全性基于程序員的職業(yè)操守。

一人一密
簡單來說，就是一個人的密鑰是固定的，但是每個人之間又不同。常見的實現(xiàn)方式是：

（1）固定加密算法；

（2）加密秘鑰使用“用戶的某一特殊屬性”，比如用戶uid、手機號、qq號、用戶密碼等；