為什么80%的碼農都做不了架構師？>>> ??

因為之前從事過電信信令類工作，接觸較多的則是ASN.1中的BER、PER編碼，其中BER是基于TLV方式進行編碼，本文主要介紹一下TLV在自定義協議中的應用。

通過該文章，你可以肉眼看懂一些類似二進制通信協議，并可以嘗試封裝自己的通信協議

1. 通信協議

協議可以使雙方不需要了解對方的實現細節的情況下進行通信，因此雙方可以是異構的，server可以是c++，client可以是java，基于相同的協議，我們可以用自己熟識的語言工具來實現。

協議一般由一個或多個消息組成，簡單的來說，消息就像是一個Table，由表頭(消息的字段定義，包括名稱與數據類型)與行(字段值)組成。

2. 自定義通信協議

約定好雙方交換數據的編解碼方式，包括一致的基本數據類型，業務類型，字節序、消息內容等。

3. 編碼方式

可以跟據業務需要進行定制，如對編解碼速度、網絡帶寬、用戶量等進行考量

3.1. 基于字符串編碼

報頭(4字節描述數據體長度)+數據(字符串+分隔符或直接使用JSON)，該方式實現簡單，在編解碼階段成本低、但在數據類型轉時成本較高，同時可能會較占用帶寬。

3.2. 基于二進制編碼

將協議以特定格式編碼為字節數組，該種方式相較字符串編碼方式實現要求要高一些，但帶寬占用相對小一些，本文主要介紹其中一種較常用的編碼方式TLV，即Tag\Length\Value。

4. TLV編碼介紹( 其中一種實現介紹 )

TLV：TLV是指由數據的類型Tag，數據的長度Length，數據的值Value組成的結構體，幾乎可以描任意數據類型，TLV的Value也可以是一個TLV結構，正因為這種嵌套的特性，可以讓我們用來包裝協議的實現。

以下將分別針對Tag、Length、Value進行解說：

4.1. Tag 描述Value的數據類型，TLV嵌套時可以用于描述消息的類型

Tag由一個或多個字節組成，上圖描述首字節0~7位的具體含義

1) Tag首節字說明

• 第6~7位：表示TLV的類型，00表示TLV描述的是基本數據類型(Primitive Frame, int,string,long...)，01表示用戶自定義類型(Private Frame，常用于描述協議中的消息)。
• 第5位：表示Value的編碼方式，分別支持Primitive及Constructed兩種編碼方式, Primitive指以原始數據類型進行編碼，Constructed指以TLV方式進行編碼，0表示以Primitive方式編碼，1表示以Constructed方式編碼。
• 第0~4位：當Tag Value小于0x1F(31)時，首字節0～4位用來描述Tag Value，否則0~4位全部置1，作為存在后續字節的標志，Tag Value將采用后續字節進行描述。

2) Tag后續字節說明

后續字節采用每個字節的0～6位（即7bit）來存儲Tag Value, 第7位用來標識是否還有后續字節。

• 第7位：描述是否還有后續字節，1表示有后續字節，0表示沒有后續字節，即結束字節。
• 第0~6位：填充Tag Value的對應bit(從低位到高位開始填充)，如：Tag Value為：0000001 11111111 11111111 (10進制：131071), 填充后實際字節內容為：10000111 11111111 01111111。

以下提供Tag編碼的JAVA實現

/*** 生成 Tag ByteArray** @param tagValue Tag 值，即協議中定義的交易類型 或 基本數據類型* @param frameType TLV類型，Tag首字節最左兩bit為00：基本類型，01：私有類型(自定義類型)* @param dataType 數據類型，Tag首字節第5位為0：基本數據類型，1：結構類型(TLV類型，即TLV的V為一個TLV結構)* @return Tag ByteArray*/public byte[] parseTag(int tagValue, int frameType, int dataType) {int size = 1;rawTag = frameType | dataType | tagValue;if (tagValue < 0x1F) {// 1 byte tagrawTag = frameType | dataType | tagValue;} else {// mutli byte tagrawTag = frameType | dataType | 0x1F;if (tagValue < 0x80) {rawTag <<= 8;rawTag |= tagValue & 0x7F;} else if (tagValue < 0x3FFF) {rawTag <<= 16;rawTag |= (((tagValue & 0x3FFF) >> 7 & 0x7F) | 0x80) << 8;rawTag |= ((tagValue & 0x3FFF) & 0x7F);} else if (tagValue < 0x3FFFF) {rawTag <<= 24;rawTag |= (((tagValue & 0x3FFFF) >> 14 & 0x7F) | 0x80) << 16;rawTag |= (((tagValue & 0x3FFFF) >> 7 & 0x7F) | 0x80) << 8;rawTag |= ((tagValue & 0x3FFFF) & 0x7F);}}return intToByteArray(rawTag);}

4.2. Length 描述Value的長度

描述Value部分所占字節的個數，編碼格式分兩類：定長方式（DefiniteForm）和不定長方式（IndefiniteForm），其中定長方式又包括短形式與長形式。

1) 定長方式

定長方式中，按長度是否超過一個八位，又分為短、長兩種形式，編碼方式如下：

• 短形式： 字節第7位為0，表示Length使用1個字節即可滿足Value類型長度的描述，范圍在0~127之間的。

• 長形式：
  即Value類型的長度大于127時，Length需要多個字節來描述，這時第一個字節的第7位置為1，0~6位用來描述Length值占用的字節數，然后直將Length值轉為byte后附在其后，如： Value大小占234個字節（11101010）,由于大于127，這時Length需要使用兩個字節來描述，10000001 11101010

以下提供Length定長方式的JAVA實現

public byte[] parseLength(int length) {if (length < 0) {throw new IllegalArgumentException();} else// 短形式if (length < 128) {byte[] actual = new byte[1];actual[0] = (byte) length;return actual;} else// 長形式if (length < 256) {byte[] actual = new byte[2];actual[0] = (byte) 0x81;actual[1] = (byte) length;return actual;} else if (length < 65536) {byte[] actual = new byte[3];actual[0] = (byte) 0x82;actual[1] = (byte) (length >> 8);actual[2] = (byte) length;return actual;} else if (length < 16777126) {byte[] actual = new byte[4];actual[0] = (byte) 0x83;actual[1] = (byte) (length >> 16);actual[2] = (byte) (length >> 8);actual[3] = (byte) length;return actual;} else {byte[] actual = new byte[5];actual[0] = (byte) 0x84;actual[1] = (byte) (length >> 24);actual[2] = (byte) (length >> 16);actual[3] = (byte) (length >> 8);actual[4] = (byte) length;return actual;}}

2) 不定長方式

Length所在八位組固定編碼為0x80，但在Value編碼結束后以兩個0x00結尾。這種方式使得可以在編碼沒有完全結束的情況下，可以先發送部分數據給對方。

4.3. Value 描述數據的值

由一個或多個值組成 ，值可以是一個原始數據類型(Primitive Data)，也可以是一個TLV結構(Constructed Data)

1) Primitive Data 編碼

2) Constructed Data 編碼

5. TLV編碼應用

如果各位看官充分消化了第4點TLV的描述，自然可以很容易將其應用到自定義協議之中，其實我們只要定制各種TLV自定義類型(Private Frame)與協議中的消息一一對應更行了

下面將以一個簡單的協議來描述TLV的應用，假設該協議消息定義如下：

消息名稱設備故障碼(DEVICE_FAULT_1)Tag值1

公共字段定義
名稱	字段	Tag值	長度	類型
設備編號	DeviceNo	1	4	Integer
設備版本號	DeviceVersion	2	12	String
請求定義
名稱	字段	Tag值	長度	類型
錯誤碼	FaultCode	3	4	Integer
響應定義
名稱	字段	Tag值	長度	類型
響應碼	ResponseCode	3	4	Integer
響應信息	ResponseMsg	4	-1	String

5.1 基本數據類型約定

這時需要對基本數據類型(Primitive Data)進行約定，以便通信雙方以一致的方式進行數據轉換，這也作為協議制定的一部分

基本數據類型約定

名稱類型標記:Tag長度:Length值范圍:Value

布爾	Boolean	10進制:1, 2進制:00000001	1	1:true .. 0:false
小整型	Tiny	10進制:2, 2進制:00000010	1	-127 .. 127
無符號小整型	UTiny	10進制:3, 2進制:00000011	1	0 .. 255
短整型	Short	10進制:4, 2進制:00000100	2	-32768 .. 32767
無符號短整型	UShort	10進制:5, 2進制:00000101	2	0 .. 65535
整型	Integer	10進制:6, 2進制:00000110	4	-2147483648 .. 2147483648
無符號整型	UInteger	10進制:7, 2進制:00000111	4	0 .. 4294967295
長整型	Long	10進制:8, 2進制:00001000	8	-2^64 .. 2^64
無符號長整型	ULong	10進制:9, 2進制:00001001	8	0 .. 2^128-1
單精浮點類型	Float	10進制:10, 2進制:00001010	4	-2^128 .. 2^128
雙精浮點類型	Double	10進制:11, 2進制:00001011	8	-2^1024 .. 2^1024
字符類型	Char	10進制:12, 2進制:00001100	1	ASCII
字符串類型	String	10進制:13, 2進制:00001101	可變	由一個或多個Char組成
組合類型	Complex	10進制:14, 2進制:00001110	可變	由一個或多個基本類型1~9組成，由協議兩端雙方進行約定編解碼
空類型	Null	10進制:15, 2進制:00001111	0

上表需要關注的是數據類型對應的Tag值與Length值

5.2 協議消息約定

名稱消息標記:Tag

設備故障碼	DEVICE_FAULT_1	1

5.3 示例

通過三層TLV嵌套，完成協議消息的封包

• 第一層：與協義消息對應
• 第二層：與消息字段對應
• 第三層：與字段值對應，包括其值的類型信息

Tips：每層嵌套都有2個或以上的字節增加(Tag和Length)，一般通信雙方可以按照協議對數據類型進行推定，所以大家可以根據實際需要，決定是否省略第三層的Tag和Length，即可通過配置文件或其它方式讓程序了解字段的類型，從而降低數據包的大小，節省流量。

6 總結

從上面可以看出，TLV是一種與業務無關的編碼方式，可以較容易用來實現自定義協議

轉載于:https://my.oschina.net/maxid/blog/206546

總結

以上是生活随笔為你收集整理的看懂通信协议：自定义通信协议设计之TLV编码应用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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