分享一種靈活性很高的協(xié)議格式（附代碼例子）
嵌入式開發(fā)中，常常會自定義一些協(xié)議格式，比如用于板與板之間的通信、客戶端與服務(wù)端之間的通信等。
自定義的協(xié)議格式可能有很多種，本篇文章我們來介紹一種很常用、實(shí)用、且靈活性很高的協(xié)議格式——ITLV格式。
什么是ITLV格式？
大家可能看到網(wǎng)絡(luò)上的很多文章用的是TLV（Tag、Length、Value）格式數(shù)據(jù)。實(shí)際中，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行修改。我們這里稍微改一下，實(shí)際上也是大同小異的。
我們這里的ITLV各字段的含義：
- I：ID或Index，用于區(qū)分是什么數(shù)據(jù)。
- T：Type，代表數(shù)據(jù)類型，如int、float等。
- L：Length，表示數(shù)據(jù)的長度（Value的長度）。
- V：Value，表示實(shí)際的數(shù)據(jù)。
其中，I、T、L是固定長度的，在制定具體的數(shù)據(jù)協(xié)議之前，需要評估好當(dāng)前項(xiàng)目的數(shù)據(jù)會有多少、數(shù)據(jù)的最大長度是多少，考慮好后續(xù)數(shù)據(jù)擴(kuò)展也可以保證協(xié)議通用。一般I設(shè)置為1~2字節(jié)，T設(shè)置為1字節(jié)，L設(shè)置為1~4字節(jié)。
下面我們制定一個(gè)格式：
實(shí)際中，如果在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸，我們用戶自定義的協(xié)議字段可能就只包含如上四個(gè)字段就可以了。比如我們公司的云平臺上的用戶數(shù)據(jù)格式用的就是類似ITLV這樣的格式。用戶在制定協(xié)議時(shí)的協(xié)議字段包含如上字段就可以了。
沒有包頭做一些數(shù)據(jù)區(qū)分，也沒有校驗(yàn)字段，只包含如上字段就能保證數(shù)據(jù)可靠傳輸嗎？
因?yàn)槎嗽仆ㄐ挪捎肕QTT，基于TCP，TCP的特點(diǎn)就是可靠的，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中會帶有校驗(yàn)。并且，實(shí)際在傳輸用戶數(shù)據(jù)時(shí)，還會再用戶數(shù)據(jù)之前增加一些字段區(qū)分這就是用戶數(shù)據(jù)。所以，其實(shí)基于它的設(shè)備SDK來進(jìn)行開發(fā)，操作的數(shù)據(jù)就是如上的數(shù)據(jù)。
但是，如果應(yīng)用于板與板之間的通信，只包含如上字段自然是有風(fēng)險(xiǎn)的。我們至少還需要還要包頭、校驗(yàn)字段。
實(shí)際中根據(jù)需要還可以增加其它字段，比如如果需要分包發(fā)送，還需要增加包號；如果多塊板之間進(jìn)行通信，還需要增加發(fā)送數(shù)據(jù)目標(biāo)地址等。
這里我們增加包頭與校驗(yàn)字段：
其中：
（1）Head固定為0x55、0xAA。
（2）Length為1字節(jié)，即Value最大為256B。
ITLV格式數(shù)據(jù)處理
下面以例子來演示ITLV格式數(shù)據(jù)的處理。
下面我們以上面我們制定的協(xié)議編寫A板的組包、解析代碼。
1、設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
首先，我們創(chuàng)建一個(gè)協(xié)議格式結(jié)構(gòu)體：
#pragma pack(1) // 協(xié)議格式 typedef struct _protocol_format { uint16_t head; uint8_t id; uint8_t type; uint8_t length; uint8_t value[];
}protocol_format_t;
type字段的取值：
// TLV 數(shù)據(jù)類型type typedef enum _tlv_type
{
TLV_TYPE_UINT8,
TLV_TYPE_INT8,
TLV_TYPE_UINT16,
TLV_TYPE_INT16,
TLV_TYPE_UINT32,
TLV_TYPE_INT32,
TLV_TYPE_STRING,
TLV_TYPE_FLOAT,
TLV_TYPE_BYTE_ARR, // 字節(jié)數(shù)組 }tlv_type_e;
下面設(shè)計(jì)我們的收、發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，大致思路如下：
我們創(chuàng)建一個(gè)總的結(jié)構(gòu)體，用于管理A板往B板發(fā)送及A板接受來自B板的數(shù)據(jù)：
// 總的協(xié)議數(shù)據(jù) typedef struct _protocol_data { protocol_id_e id; protocol_value_t value;
}protocol_data_t;
其中，成員id是一個(gè)枚舉：
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// 數(shù)據(jù)ID typedef enum _protocol_id
{ // A板發(fā)往B板 PROTOCOL_ID_A_TO_B_BASE = 0x00,
PROTOCOL_ID_A_TO_B_CTRL_CMD,
PROTOCOL_ID_A_TO_B_DATE_TIME,
PROTOCOL_ID_A_TO_B_END = 0x7F, // B板發(fā)往A板 PROTOCOL_ID_B_TO_A_BASE = 0x80,
PROTOCOL_ID_B_TO_A_WORK_STATUS,
PROTOCOL_ID_B_TO_A_END = 0xFF,
}protocol_id_e;
包含著A->B、B->A的ID，因?yàn)镮D是用1個(gè)字節(jié)標(biāo)識，收、發(fā)的ID各預(yù)留一半，新增的ID在各自的BASE ID及END ID之間添加。
成員value是一個(gè)聯(lián)合體，用于管理A->B、B->A的value數(shù)據(jù)：
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// 所有協(xié)議數(shù)據(jù)value值 typedef union _protocol_value
{ protocol_value_a_to_b_t a_to_b_value; protocol_value_b_to_a_t b_to_a_value;
}protocol_value_t;
a_to_b_value及b_to_a_value也是聯(lián)合體，用于管理更細(xì)分的數(shù)據(jù)：
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// A板發(fā)往B板的數(shù)據(jù)value值 typedef union _protocol_value_a_to_b
{ protocol_data_ctrl_cmd_t ctrl_cmd; protocol_data_time_t date_time;
}protocol_value_a_to_b_t; // B板發(fā)往A板的數(shù)據(jù)value值 typedef union _protocol_value_b_to_a
{ protocol_data_work_status_t work_status;
}protocol_value_b_to_a_t;
更細(xì)分的數(shù)據(jù)：
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// 控制命令 typedef enum _ctrl_cmd
{
CTRL_CMD_LED_ON,
CTRL_CMD_LED_OFF
}ctrl_cmd_e; typedef struct _protocol_data_ctrl_cmd { ctrl_cmd_e cmd;
}protocol_data_ctrl_cmd_t; // 時(shí)間數(shù)據(jù) typedef struct _protocol_data_time { int year; int mon; int mday; int hour; int min; int sec;
}protocol_data_time_t; // 工作狀態(tài) typedef enum _work_status
{
WORK_STATUS_NORMAL,
WORK_STATUS_ERROR
}work_status_e; typedef struct _protocol_data_work_status { work_status_e status;
}protocol_data_work_status_t;
明確了我們需要進(jìn)行交互的數(shù)據(jù)的類型之后，解析來我們就可以根據(jù)它們的特點(diǎn)來編寫組包、解析函數(shù)了。
2、組包
大致思路如下：
組包函數(shù)：
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int protocol_data_packet(uint8_t *buf, uint16_t len, protocol_data_t *protocol_data) { int ret = -1; int value_len = 0; int offset = 0; protocol_format_t *p_protocol_format = NULL; if (!buf || !protocol_data || len < PROTOCOL_MIN_LEN) { printf("Invalid input argument!\n"); return ret;
} // 通過ID來獲取value的長度 switch (protocol_data->id)
{ case PROTOCOL_ID_A_TO_B_CTRL_CMD:
{ printf("PROTOCOL_ID_A_TO_B_CTRL_CMD\n");
value_len = sizeof(protocol_data->value.a_to_b_value.ctrl_cmd); printf("protocol_format.length = %d\n", value_len); break;
} case PROTOCOL_ID_A_TO_B_DATE_TIME:
{ printf("PROTOCOL_ID_A_TO_B_DATE_TIME\n");
value_len = sizeof(protocol_data->value.a_to_b_value.date_time); printf("value_len = %d\n", value_len); break;
} default: break;
} // 為協(xié)議格式數(shù)據(jù)申請內(nèi)存 p_protocol_format = (protocol_format_t *)malloc(sizeof(protocol_format_t) + value_len); if (NULL == p_protocol_format)
{ printf("malloc error\n"); return ret;
} // 填充協(xié)議數(shù)據(jù)各字段 p_protocol_format->head = PROTOCOL_HEAD;
p_protocol_format->id = protocol_data->id;
p_protocol_format->type = TLV_TYPE_BYTE_ARR;
p_protocol_format->length = value_len; if (p_protocol_format->length <= PROTOCOL_VALUE_MAX_LEN) { memcpy(p_protocol_format->value, &protocol_data->value.a_to_b_value, p_protocol_format->length);
} else { printf("protocol_format.length > PROTOCOL_VALUE_MAX_LEN\n");
} // 計(jì)算校驗(yàn)值 uint32_t crc_data_len = sizeof(protocol_format_t) + value_len; uint16_t crc16 = crc16_x25_check((uint8_t*)p_protocol_format, crc_data_len); printf("crc16 = %#x\n", crc16); // struct -> buf memcpy(buf, p_protocol_format, crc_data_len);
offset += crc_data_len; memcpy(buf + offset, &crc16, sizeof(uint16_t));
offset += sizeof(uint16_t); // 釋放內(nèi)存 free(p_protocol_format);
p_protocol_format = NULL; return offset;
}
3、解包
大致思路如下：
解包函數(shù)：
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// 解包函數(shù) void protocol_data_parse(protocol_data_t *protocol_data, uint8_t *buf, uint16_t len) { protocol_format_t *p_protocol_format = NULL; if (!buf || !protocol_data || len < PROTOCOL_MIN_LEN) { printf("Invalid input argument!\n"); return;
} // 為協(xié)議格式數(shù)據(jù)申請內(nèi)存 int value_len = buf[PROTOCOL_LENGTH_INDEX];
p_protocol_format = (protocol_format_t *)malloc(sizeof(protocol_format_t) + value_len); if (NULL == p_protocol_format)
{ printf("malloc p_protocol_format error\n"); return;
} // buf -> struct memcpy(p_protocol_format, buf, sizeof(protocol_format_t) + value_len); printf("protocol_data->id = %#x\n", p_protocol_format->id); // 通過數(shù)據(jù)ID來解析各對應(yīng)的數(shù)據(jù) switch (p_protocol_format->id)
{ case PROTOCOL_ID_B_TO_A_WORK_STATUS:
{ printf("PROTOCOL_ID_B_TO_A_WORK_STATUS\n"); uint8_t work_status_len = sizeof(protocol_data->value.b_to_a_value.work_status); if (p_protocol_format->length == work_status_len)
{ memcpy(&protocol_data->value.b_to_a_value.work_status, p_protocol_format->value, p_protocol_format->length);
} else { printf("p_protocol_format->length error\n");
} break;
} default: break;
} // 釋放內(nèi)存 free(p_protocol_format);
p_protocol_format = NULL;
}
4、CRC16校驗(yàn)
CRC16分很多種：CRC16-X25、CRC16-MODBUS、CRC16-XMODEM等。
這里我們使用CRC16-X25：
static const unsigned short crc16_table[256] =
{ 0x0000, 0x1189, 0x2312, 0x329b, 0x4624, 0x57ad, 0x6536, 0x74bf, 0x8c48, 0x9dc1, 0xaf5a, 0xbed3, 0xca6c, 0xdbe5, 0xe97e, 0xf8f7, 0x1081, 0x0108, 0x3393, 0x221a, 0x56a5, 0x472c, 0x75b7, 0x643e, 0x9cc9, 0x8d40, 0xbfdb, 0xae52, 0xdaed, 0xcb64, 0xf9ff, 0xe876, 0x2102, 0x308b, 0x0210, 0x1399, 0x6726, 0x76af, 0x4434, 0x55bd, 0xad4a, 0xbcc3, 0x8e58, 0x9fd1, 0xeb6e, 0xfae7, 0xc87c, 0xd9f5, 0x3183, 0x200a, 0x1291, 0x0318, 0x77a7, 0x662e, 0x54b5, 0x453c, 0xbdcb, 0xac42, 0x9ed9, 0x8f50, 0xfbef, 0xea66, 0xd8fd, 0xc974, 0x4204, 0x538d, 0x6116, 0x709f, 0x0420, 0x15a9, 0x2732, 0x36bb, 0xce4c, 0xdfc5, 0xed5e, 0xfcd7, 0x8868, 0x99e1, 0xab7a, 0xbaf3, 0x5285, 0x430c, 0x7197, 0x601e, 0x14a1, 0x0528, 0x37b3, 0x263a, 0xdecd, 0xcf44, 0xfddf, 0xec56, 0x98e9, 0x8960, 0xbbfb, 0xaa72, 0x6306, 0x728f, 0x4014, 0x519d, 0x2522, 0x34ab, 0x0630, 0x17b9, 0xef4e, 0xfec7, 0xcc5c, 0xddd5, 0xa96a, 0xb8e3, 0x8a78, 0x9bf1, 0x7387, 0x620e, 0x5095, 0x411c, 0x35a3, 0x242a, 0x16b1, 0x0738, 0xffcf, 0xee46, 0xdcdd, 0xcd54, 0xb9eb, 0xa862, 0x9af9, 0x8b70, 0x8408, 0x9581, 0xa71a, 0xb693, 0xc22c, 0xd3a5, 0xe13e, 0xf0b7, 0x0840, 0x19c9, 0x2b52, 0x3adb, 0x4e64, 0x5fed, 0x6d76, 0x7cff, 0x9489, 0x8500, 0xb79b, 0xa612, 0xd2ad, 0xc324, 0xf1bf, 0xe036, 0x18c1, 0x0948, 0x3bd3, 0x2a5a, 0x5ee5, 0x4f6c, 0x7df7, 0x6c7e, 0xa50a, 0xb483, 0x8618, 0x9791, 0xe32e, 0xf2a7, 0xc03c, 0xd1b5, 0x2942, 0x38cb, 0x0a50, 0x1bd9, 0x6f66, 0x7eef, 0x4c74, 0x5dfd, 0xb58b, 0xa402, 0x9699, 0x8710, 0xf3af, 0xe226, 0xd0bd, 0xc134, 0x39c3, 0x284a, 0x1ad1, 0x0b58, 0x7fe7, 0x6e6e, 0x5cf5, 0x4d7c, 0xc60c, 0xd785, 0xe51e, 0xf497, 0x8028, 0x91a1, 0xa33a, 0xb2b3, 0x4a44, 0x5bcd, 0x6956, 0x78df, 0x0c60, 0x1de9, 0x2f72, 0x3efb, 0xd68d, 0xc704, 0xf59f, 0xe416, 0x90a9, 0x8120, 0xb3bb, 0xa232, 0x5ac5, 0x4b4c, 0x79d7, 0x685e, 0x1ce1, 0x0d68, 0x3ff3, 0x2e7a, 0xe70e, 0xf687, 0xc41c, 0xd595, 0xa12a, 0xb0a3, 0x8238, 0x93b1, 0x6b46, 0x7acf, 0x4854, 0x59dd, 0x2d62, 0x3ceb, 0x0e70, 0x1ff9, 0xf78f, 0xe606, 0xd49d, 0xc514, 0xb1ab, 0xa022, 0x92b9, 0x8330, 0x7bc7, 0x6a4e, 0x58d5, 0x495c, 0x3de3, 0x2c6a, 0x1ef1, 0x0f78 }; uint16_t crc16_x25_check(uint8_t* data, uint32_t length) { unsigned short crc_reg = 0xFFFF; while (length--)
{
crc_reg = (crc_reg >> 8) ^ crc16_table[(crc_reg ^ *data++) & 0xff];
} return (uint16_t)(~crc_reg) & 0xFFFF;
}
5、測試代碼
下面我們編寫組包、解包測試代碼：
-
組包控制命令數(shù)據(jù)，并把組包之后的發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)打印出來。
-
組包時(shí)間數(shù)據(jù)，并把組包之后的發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)打印出來。
-
從一個(gè)模擬的工作狀態(tài)接受緩沖區(qū)數(shù)據(jù)中解析工作狀態(tài)數(shù)據(jù)并打印出來。
測試代碼如：
左右滑動查看全部代碼>>>
// 微信公眾號：嵌入式大雜燴 #include #include
編譯、運(yùn)行：
對照著我們制定的協(xié)議，數(shù)據(jù)完全正確！
ITLV格式的其它用法
ITLV格式具有很強(qiáng)的靈活性，我們這里使用的數(shù)據(jù)類型Type為字節(jié)數(shù)組，其實(shí)使用字符串類型也很常用，比如為了協(xié)議具備更強(qiáng)的可讀性、方便調(diào)試，可以在Value字段里再封裝一層JSON格式數(shù)據(jù)。其實(shí)我覺得Type的選項(xiàng)只保留字節(jié)數(shù)組及字符串就夠用了，可以滿足所有情況。
當(dāng)然，可能有些數(shù)據(jù)長度總是定長的，也可以用其它定長的類型。比如數(shù)據(jù)都是一些定長的類型，那么L字段也可以省略掉。實(shí)際中，比較通用的做法就是：全用字節(jié)數(shù)組或者全用字符串。別混著用，代碼可能會很混亂。
代碼獲取
大家如果需要本篇文章的demo工程，也可以在本公眾號后臺回復(fù)關(guān)鍵詞：ITLV協(xié)議格式 ，即可獲取。
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