应用层通信协议设计

一、应用层通信协议概述

TCP/UDP是基于字节流的传输层通信协议，对于其的编程是基于IO流编程，所谓“流”，就是没有界限的一长串二进制数据。TCP/UDP作为传输层协议，并不了解上层业务数据的具体含义，它会根据TCP缓冲区的实际情况进行数据包的划分。所以在业务上一个完整的数据包在进行传输时，可能会被拆分成多个包进行发送，也可能将很多小的数据包封装成一个大的数据包发送，也就是TCP/UDP的拆包和粘包问题。如果直接序列化发出数据包，接收方无法知道一个完整的报文从哪里开始，到哪里结束，这个问题需要通过上层的应用协议设计来解决。

二、业界主流协议调研

目前业界主流的协议的解决方案如下：

1.消息定长：报文长度固定，例如每个报文的长度固定为 200 字节，如果不够空位补空格，接受方每次拿 200 字节。

2.使用特殊分隔符分隔：例如每条报文结束都添加回车换行符作为报文分隔符，接收方读到回车换行符则分割出报文。

3.分为消息头和消息体：消息头包含消息的长度,接收方从消息头拿到消息长度，就知道剩下的报文是多少字节了。

4.更复杂的自定义应用层协议。

三、自定义应用层通信协议结构

综合以上内容，本项目工程中定义了一个应用层通信协议，结构如下：

如上图所示，发送的数据由消息头（header）和主体（body）组成，消息头包括：

1. 报文类型：不同类型的报文在服务器中执行不同的指令和功能。
2. 数据长度：数据长度由消息头长度加上数据主体内容的长度组成。

消息主体为定长的数据缓冲区（但传输的消息长度是不定的）。

为了实现上述的结构，定义了两个结构体，分别是消息头结构体和消息结构体，消息头结构体嵌套在消息结构体中，同时定义了一个枚举类型，用于定义通信所需的各种消息类型。

不同类型的消息的编码方式如下表所示：

可以看到，报文整体由$分隔的单个字符串组成，消息头的组成基本相同，以logIn为例，报文的第一位是消息类型LogIn，第二位是不包括消息头的消息长度，之后依次是用户名和密码。而在Getfrdlist中，除了消息头，好友人数之外，循环编码了由uid，uname，usex，role组成的字符串，各项之间用#分隔。

协议由服务端和客户端双方遵守，共用一套相同的编码和解码函数，编码即是按照前一页的协议具体内容拼接成字符串。解码需要读取消息头，先判断消息类型，用于区分不同消息以确定不同的解码方式，然后获取消息长度，用于对报文进行长度校验，以确保数据发送的安全性和完整性。

四、总结

在我看来，通信协议的设计主要需要满足三个点：

1. 统一：协议由服务端和客户端双方遵守，共用一套相同的编码和解码函数。
2. 区分：用消息头来区分不同的消息类型，用于判断是什么类型的消息，选择对应的解码。
3. 安全：要对数据包的完整性进行校验，进行长度的校验是最基本的校验，常见的检验方式由checksum校验和、CRC校验等类型。