一次彻底搞透协议设计（没做过通讯底层也没有关系）！

系统设计，协议先行。

大部分人不了解协议的设计细节，更多使用已有协议进行应用层设计，例如：

（1）使用HTTP，设计get/post/cookie参数，以及json包格式；

（2）使用dubbo，而不用去深究内部的二进制包头包体细节；

无论如何，了解协议设计的原则，对深入理解系统通信非常有帮助。

一、协议的分层设计

所谓“协议”，是双方共同遵守的规则，例如：离婚协议，停战协议。协议有语法、语义、时序三要素：
（1）语法，即数据与控制信息的结构或格式；
（2）语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；
（3）时序，即事件实现顺序的详细说明；

画外音：后文主要讲语法设计。

协议设计通常分为三层：应用层协议、安全层协议、传输层协议。

下面分别看下这三层的协议应该如何选型。

二、应用层协议设计

应用层协议选型，常见的有三种：文本协议、二进制协议、流式XML协议。

文本协议

文本协议是指“贴近人类书面语言表达”的通讯传输协议，典型的协议是HTTP协议，一个HTTP协议的请求报文样例如下：

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

文本协议的特点是：
（1）可读性好，便于调试；
（2）扩展性较好，能通过key:value扩展；
（3）解析效率不高，一行一行读入，按照冒号分割，解析key和value；
（4）对二进制不友好，比如语音/视频等；

二进制协议
二进制协议即binary协议，典型是IP协议，以下是IP协议的一个图示：

二进制协议一般包含：

（1）定长包头；

（2）可扩展变长包体；

（3）一般每个字段有固定的含义，以IP协议为例，前4个bit表示协议版本号（Version）；

二进制协议的特点是：

（1）可读性差，难于调试；

画外音：打日志一般需要一个toString()函数增强可读性。

（2）扩展性不好，如果要扩展字段，旧版协议就不兼容了，所以设计时一般会有一个Version字段；

（3）解析效率超高，几乎没有解析代价，二进制流的每个字段表示固定含义；

（4）天然支持二进制流，比如语音/视频；

这是一个典型的16字节二进制定长包头的例子：

//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个字节表示版本号version；

（2）接下来4个字节表示魔法数字magic_num，用来解决数据错位或丢包问题；

画外音：例如，约定好魔法数字是0x01020304，收到的报文，魔法数字匹配，认为是正常报文，否则认为是报文异常，断开连接。

（3）接下来4个字节表示命令号command，不同的命令号对应不同的变长包体；

（4）最后4个字节表示包体长度length，以确定变长包体有多少字节；

这是一个实际的二进制变长包体：

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

message CUserLoginResp {
optional uint64 uid =1;
}

它使用的是Google的Protobuf协议，容易看到：

（1）请求报文传入的是用户名与密码；

（2）响应包返回的是用户的uid；

PB是很流行的二进制变长包体协议，其优点为：
（1）通用，可以生成C++、Java、PHP等多语言代码；

（2）自带压缩功能；

（3）对二进制友好；

（4）在工业界已广泛应用；

画外音：Google出品，必属精品。

流式XML协议

流式XML似乎是文本协议的一个特例，亦可以单独作为一类。例如：xmpp就是典型的流式XML协议，下面是xmpp协议的一个典型报文：

<message

to=’romeo@example.net’

from=’juliet@example.com’

type=’chat’

xml : lang=’en’>

<body>Wherefore art thou, Romeo?</body>

</message>

从xml标签中大致可以判断这是一个juliet发给romeo的聊天消息。

XML协议有几个特点：

（1）可读性好，扩展性好，这是XML的特性；

（2）解析代价超高，需要进行dom树分析；

（3）有效数据传输率超低，有大量的标签；

（4）对二进制不友好，比如语音/视频等；

三、安全层协议设计

安全层协议设计，除了使用SSL，自行实现的话，常见的又有以下三种方案。

画外音：SSL秘钥管理是个问题。

固定密钥
服务端和客户端约定好一个密钥，同时约定好一个加密算法（例如：AES），每次客户端发送报文前，就用约定好的算法，以及约定好的密钥加密再传输，服务端收到报文后，用约定好的算法，约定好的密钥再解密。

画外音：安全性低，安全性基于程序员的职业操守。

一人一密
简单来说，就是一个人的密钥是固定的，但是每个人之间又不同。常见的实现方式是：

（1）固定加密算法；

（2）加密秘钥使用“用户的某一特殊属性”，比如用户uid、手机号、qq号、用户密码等；

一次一密
即动态密钥，一Session一密钥的安全性更高，每次会话前协商密钥。密钥协商的过程要经过2次非对称密钥的随机生成，1次对称加密密钥的随机生成，具体详情这里不展开。

四、传输层协议设计

可选的协议有TCP和UDP，现在基本都是使用TCP，有了epoll等技术后，多连接就不是瓶颈了，单机几十万链接没什么问题。