一次徹底搞透協(xié)議設(shè)計(jì)（沒做過通訊底層也沒有關(guān)系）！

閣樓的貓s859sx 2019-05-23

展開全文

系統(tǒng)設(shè)計(jì)，協(xié)議先行。

大部分人不了解協(xié)議的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，更多使用已有協(xié)議進(jìn)行應(yīng)用層設(shè)計(jì)，例如：

（1）使用HTTP，設(shè)計(jì)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(jìn)制包頭包體細(xì)節(jié)；

無論如何，了解協(xié)議設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
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(shí)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(yīng)；
（3）時(shí)序，即事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說明；

畫外音：后文主要講語法設(shè)計(jì)。

協(xié)議設(shè)計(jì)通常分為三層：應(yīng)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(yīng)該如何選型。

二、應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)

應(yīng)用層協(xié)議選型，常見的有三種：文本協(xié)議、二進(jìn)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(dá)”的通訊傳輸協(xié)議，典型的協(xié)議是HTTP協(xié)議，一個(gè)HTTP協(xié)議的請求報(bào)文樣例如下：

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

文本協(xié)議的特點(diǎn)是：
（1）可讀性好，便于調(diào)試；
（2）擴(kuò)展性較好，能通過key:value擴(kuò)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(jìn)制不友好，比如語音/視頻等；

二進(jìn)制協(xié)議
二進(jìn)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(gè)圖示：

二進(jìn)制協(xié)議一般包含：

（1）定長包頭；

（2）可擴(kuò)展變長包體；

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

二進(jìn)制協(xié)議的特點(diǎn)是：

（1）可讀性差，難于調(diào)試；

畫外音：打日志一般需要一個(gè)toString()函數(shù)增強(qiáng)可讀性。

（2）擴(kuò)展性不好，如果要擴(kuò)展字段，舊版協(xié)議就不兼容了，所以設(shè)計(jì)時(shí)一般會有一個(gè)Version字段；
（3）解析效率超高，幾乎沒有解析代價(jià)，二進(jìn)制流的每個(gè)字段表示固定含義；
（4）天然支持二進(jìn)制流，比如語音/視頻；

這是一個(gè)典型的16字節(jié)二進(jìn)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(gè)字節(jié)表示版本號version；

（2）接下來4個(gè)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(bào)文，魔法數(shù)字匹配，認(rèn)為是正常報(bào)文，否則認(rèn)為是報(bào)文異常，斷開連接。

（3）接下來4個(gè)字節(jié)表示命令號command，不同的命令號對應(yīng)不同的變長包體；
（4）最后4個(gè)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(gè)實(shí)際的二進(jìn)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(bào)文傳入的是用戶名與密碼；

（2）響應(yīng)包返回的是用戶的uid；

PB是很流行的二進(jìn)制變長包體協(xié)議，其優(yōu)點(diǎn)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(jìn)制友好；

（4）在工業(yè)界已廣泛應(yīng)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(gè)特例，亦可以單獨(dú)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(gè)典型報(bào)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(biāo)簽中大致可以判斷這是一個(gè)romeo發(fā)給juliet的聊天消息。

XML協(xié)議有幾個(gè)特點(diǎn)：
（1）可讀性好，擴(kuò)展性好，這是XML的特性；
（2）解析代價(jià)超高，需要進(jìn)行dom樹分析；

（3）有效數(shù)據(jù)傳輸率超低，有大量的標(biāo)簽；

（4）對二進(jìn)制不友好，比如語音/視頻等；

三、安全層協(xié)議設(shè)計(jì)

安全層協(xié)議設(shè)計(jì)，除了使用SSL，自行實(shí)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(gè)問題。

固定密鑰
服務(wù)端和客戶端約定好一個(gè)密鑰，同時(shí)約定好一個(gè)加密算法（例如：AES），每次客戶端發(fā)送報(bào)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(wù)端收到報(bào)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(gè)人的密鑰是固定的，但是每個(gè)人之間又不同。常見的實(shí)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(jī)號、qq號、用戶密碼等；

一次一密
即動態(tài)密鑰，一Session一密鑰的安全性更高，每次會話前協(xié)商密鑰。密鑰協(xié)商的過程要經(jīng)過2次非對稱密鑰的隨機(jī)生成，1次對稱加密密鑰的隨機(jī)生成，具體詳情這里不展開。

四、傳輸層協(xié)議設(shè)計(jì)
可選的協(xié)議有TCP和UDP，現(xiàn)在基本都是使用TCP，有了epoll等技術(shù)后，多連接就不是瓶頸了，單機(jī)幾十萬鏈接沒什么問題。

架構(gòu)師之路-分享可落地的技術(shù)文章

調(diào)研：

貴司的加密，是在代碼中寫死秘鑰么？

本站是提供個(gè)人知識管理的網(wǎng)絡(luò)存儲空間，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，不代表本站觀點(diǎn)。請注意甄別內(nèi)容中的聯(lián)系方式、誘導(dǎo)購買等信息，謹(jǐn)防詐騙。如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請點(diǎn)擊一鍵舉報(bào)。

轉(zhuǎn)藏 分享

QQ空間 QQ好友新浪微博微信

獻(xiàn)花（0） +1

來自：閣樓的貓s859sx > 《待分類》

舉報(bào)/認(rèn)領(lǐng)