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如何实现自定义的应用层协议呢?

嵌入式应用研究院 来源:嵌入式应用研究院 2023-08-16 09:57 次阅读

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

0279f96c-3b7a-11ee-9e74-dac502259ad0.jpg

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。

wKgaomTcLTqAKOUXAABXM23J-Z4400.jpg

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。

02994c2c-3b7a-11ee-9e74-dac502259ad0.jpg



wKgaomTcLViAaSV_AAAS6qumv3U393.jpg

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。

02b9518e-3b7a-11ee-9e74-dac502259ad0.jpg

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

02cfaaec-3b7a-11ee-9e74-dac502259ad0.jpg

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

wKgaomTcLYCAYnPfAAC4TkwyOGk080.jpg
wKgaomTcLYiAcBSDAACzPaN81NI447.jpg

6.2.2打包(序列化)

wKgaomTcLaCACHaDAADgxDmOCXs116.jpg

6.2.3解包(反序列化)

wKgZomTcLdKAC4y_AADRyORSZDw599.jpg
wKgaomTcLdmAZbOiAACgdoISGsk580.jpg
wKgZomTcLd-AVLWsAAC2jgC4jmI010.jpg
wKgZomTcLgGACCxkAAB4pLsDHVE204.jpg

7.完整源码与测试

code is easy,just run it.

7.1源码

wKgZomTcLjiAIulpAAC98bY9d4s177.jpg
wKgaomTcLkCAIN_wAADS1PDCm0Q725.jpg
wKgZomTcLkeAVlCSAAEHKILc4O8373.jpg
wKgaomTcLnyAfqlxAADONhZvXGo202.jpg
wKgZomTcLoOAa9enAADQ8LLb-70052.jpg
wKgZomTcLoqAQZkMAADbLn7AL6s274.jpg
wKgZomTcLrSAH-Y8AACrF8-pNdo716.jpg
wKgZomTcLryAaIlLAAB922fwDOw901.jpg

7.2运行测试

02e4f280-3b7a-11ee-9e74-dac502259ad0.png

8.总结

不到350行的代码向我们展示了一个自定义的应用层协议该如何实现,当然这个协议是不够完善的,还可以对其完善,比如对协议体进行加密加强协议的安全性等。





审核编辑:刘清

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原文标题:手把手教你实现自定义的应用层协议

文章出处:【微信号:嵌入式应用研究院,微信公众号:嵌入式应用研究院】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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