自定义通信协议设计之TLV编码应用

因为之前从事过电信信令类工作，接触较多的则是ASN.1中的BER、PER编码，其中BER是基于TLV方式进行编码，本文主要介绍一下TLV在自定义协议中的应用。

1. 通信协议

协议可以使双方不需要了解对方的实现细节的情况下进行通信，因此双方可以是异构的，server可以是c++，client可以是java，基于相同的协议，我们可以用自己熟识的语言工具来实现。
协议一般由一个或多个消息组成，简单的来说，消息就像是一个Table，由表头(消息的字段定义，包括名称与数据类型)与行(字段值)组成。

2. 自定义通信协议

约定好双方交换数据的编解码方式，包括一致的基本数据类型，业务类型，字节序、消息内容等。

3. 编码方式可以跟据业务需要进行定制，如对编解码速度、网络带宽、用户量等进行考量

3.1. 基于字符串编码

报头(4字节描述数据体长度)+数据(字符串+分隔符或直接使用JSON)，该方式实现简单，在编解码阶段成本低、但在数据类型转时成本较高，同时可能会较占用带宽。

3.2. 基于二进制编码

将协议以特定格式编码为字节数组，该种方式相较字符串编码方式实现要求要高一些，但带宽占用相对小一些，本文主要介绍其中一种较常用的编码方式TLV，即Tag\Length\Value。

4. TLV编码介绍( 其中一种实现介绍 )

TLV：TLV是指由数据的类型Tag，数据的长度Length，数据的值Value组成的结构体，几乎可以描任意数据类型，TLV的Value也可以是一个TLV结构，正因为这种嵌套的特性，可以让我们用来包装协议的实现。

以下将分别针对Tag、Length、Value进行解说：

4.1. Tag 描述Value的数据类型，TLV嵌套时可以用于描述消息的类型

Tag由一个或多个字节组成，上图描述首字节0~7位的具体含义

1) Tag首节字说明

第6~7位：表示TLV的类型，00表示TLV描述的是基本数据类型(Primitive Frame, int,string,long…)，01表示用户自定义类型(Private Frame，常用于描述协议中的消息)。
第5位：表示Value的编码方式，分别支持Primitive及Constructed两种编码方式, Primitive指以原始数据类型进行编码，Constructed指以TLV方式进行编码，0表示以Primitive方式编码，1表示以Constructed方式编码。
第0~4位：当Tag Value小于0x1F(31)时，首字节0～4位用来描述Tag Value，否则0~4位全部置1，作为存在后续字节的标志，Tag Value将采用后续字节进行描述。

2) Tag后续字节说明

后续字节采用每个字节的0～6位（即7bit）来存储Tag Value, 第7位用来标识是否还有后续字节。

第7位：描述是否还有后续字节，1表示有后续字节，0表示没有后续字节，即结束字节。
第0~6位：填充Tag Value的对应bit(从低位到高位开始填充)，如：Tag Value为：0000001 11111111 11111111 (10进制：131071), 填充后实际字节内容为：10000111 11111111 01111111。

以下提供Tag编码的JAVA实现

/** * 生成 Tag ByteArray * * @param tagValue  Tag 值，即协议中定义的交易类型 或 基本数据类型 * @param frameType TLV类型，Tag首字节最左两bit为00：基本类型，01：私有类型(自定义类型) * @param dataType  数据类型，Tag首字节第5位为0：基本数据类型，1：结构类型(TLV类型，即TLV的V为一个TLV结构) * @return Tag ByteArray */public byte[] parseTag(int tagValue, int frameType, int dataType) {    int size = 1;    rawTag = frameType | dataType | tagValue;    if (tagValue < 0x1F) {        // 1 byte tag        rawTag = frameType | dataType | tagValue;    } else {        // mutli byte tag        rawTag = 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的长度

描述Value部分所占字节的个数，编码格式分两类：定长方式（DefiniteForm）和不定长方式（IndefiniteForm），其中定长方式又包括短形式与长形式。

1) 定长方式

定长方式中，按长度是否超过一个八位，又分为短、长两种形式，编码方式如下：

短形式：
字节第7位为0，表示Length使用1个字节即可满足Value类型长度的描述，范围在0~127之间的。

长形式：
即Value类型的长度大于127时，Length需要多个字节来描述，这时第一个字节的第7位置为1，0~6位用来描述Length值占用的字节数，然后直将Length值转为byte后附在其后，如： Value大小占234个字节（11101010）,由于大于127，这时Length需要使用两个字节来描述，10000001 11101010

以下提供Length定长方式的JAVA实现

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    // 长形式    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) 不定长方式

Length所在八位组固定编码为0x80，但在Value编码结束后以两个0x00结尾。这种方式使得可以在编码没有完全结束的情况下，可以先发送部分数据给对方。

4.3. Value 描述数据的值

由一个或多个值组成，值可以是一个原始数据类型(Primitive Data)，也可以是一个TLV结构(Constructed Data)

1) Primitive Data 编码

2) Constructed Data 编码

5. TLV编码应用

如果各位看官充分消化了第4点TLV的描述，自然可以很容易将其应用到自定义协议之中，其实我们只要定制各种TLV自定义类型(Private Frame)与协议中的消息一一对应更行了

下面将以一个简单的协议来描述TLV的应用，假设该协议消息定义如下：

消息名称	设备故障码(DEVICE_FAULT_1)	Tag值	1
公共字段定义
名称	字段	Tag值	长度	类型
设备编号	DeviceNo	1	4	Integer
设备版本号	DeviceVersion	2	12	String
请求定义
名称	字段	Tag值	长度	类型
错误码	FaultCode	3	4	Integer
响应定义
名称	字段	Tag值	长度	类型
响应码	ResponseCode	3	4	Integer
响应信息	ResponseMsg	4	-1	String

5.1 基本数据类型约定

这时需要对基本数据类型(Primitive Data)进行约定，以便通信双方以一致的方式进行数据转换，这也作为协议制定的一部分

基本数据类型约定

名称	类型	标记:Tag	长度:Length	值范围:Value
布尔	Boolean	1₁₀, 00000001₂	1	1:true .. 0:false
小整型	Tiny	2₁₀, 00000010₂	1	-127 .. 127
无符号小整型	UTiny	3₁₀, 00000011₂	1	0 .. 255
短整型	Short	4₁₀, 00000100₂	2	-32768 .. 32767
无符号短整型	UShort	5₁₀, 00000101₂	2	0 .. 65535
整型	Integer	6₁₀, 00000110₂	4	-2147483648 .. 2147483648
无符号整型	UInteger	7₁₀, 00000111₂	4	0 .. 4294967295
长整型	Long	8₁₀, 00001000₂	8	-2⁶⁴ .. 2⁶⁴
无符号长整型	ULong	9₁₀, 00001001₂	8	0 .. 2¹²⁸-1
单精浮点类型	Float	10₁₀, 00001010₂	4	-2¹²⁸ .. 2¹²⁸
双精浮点类型	Double	11₁₀, 00001011₂	8	-2¹⁰²⁴ .. 2¹⁰²⁴
字符类型	Char	12₁₀, 00001100₂	1	ASCII
字符串类型	String	13₁₀, 00001101₂	可变	由一个或多个Char组成
组合类型	Complex	14₁₀, 00001110₂	可变	由一个或多个基本类型1~9组成，由协议两端双方进行约定编解码
空类型	Null	15₁₀, 00001111₂	0

上表需要关注的是数据类型对应的Tag值与Length值

5.2 协议消息约定

名称	消息	标记:Tag
设备故障码	DEVICE_FAULT_1	1

5.3 示例

通过三层TLV嵌套，完成协议消息的封包
第一层：与协义消息对应
第二层：与消息字段对应
第三层：与字段值对应，包括其值的类型信息

Tips：每层嵌套都有2个或以上的字节增加(Tag和Length)，一般通信双方可以按照协议对数据类型进行推定，所以大家可以根据实际需要，决定是否省略第三层的Tag和Length，即可通过配置文件或其它方式让程序了解字段的类型，从而降低数据包的大小，节省流量。

6 总结

从上面可以看出，TLV是一种与业务无关的编码方式，可以较容易用来实现自定义协议

预告：将来或许会提供一个Go版本的实现

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