亲历的几个糟糕的应用层通信协议设计

- 日理万妓 2022-05-16 13:14 272阅读 0赞

去年和今年分别参与了两个公司的项目，这两个项目都涉及到了通信方面的程序设计，或者是以太网络通信，或者是串口通信。凡是通信就必须要有通信协议，个人认为协议的设计是个非常严肃的工作，需要理解业务需求和掌握基本的协议设计知识。但是从这两个项目来看，其协议的设计可以说是 **糟糕到了极点**。下面就其糟糕的设计之处予以批判。

# 1 糟糕设计之一：消息格式“包头+数据+包尾” #

与UDP不同，TCP通信属于流式通信，没有消息边界，所以需要应用层自行对报文进行界定分离。实际项目1中，包头为\{ \{两个字节，包尾为\}\}两个字节，例如\{ \{t=123\}\}。其格式为：

开始边界+消息1+结束边界+开始边界+消息2+结束边界+开始边界+消息3+结束边界+....

由于TCP是安全的传输层协议，除非特别需要，应用层无需再做校验。消息边界只需要一个标识即可，基本格式为：

消息1+边界+消息2+边界+消息3+边界+...

无论从节约网络带宽，还是从简化报文解析代码，第一种设计都是非常的愚蠢！   
无独有偶，项目2中基于串口的通信应用层协议也采用了这种设计格式。   
当问其设计人员为何如此设计时，说一直就是这么设计的，自己也不知道这么设计的原因，还美滋滋地说一直没有什么问题，真想揍他一拳。

# 2 糟糕设计之二：用结构体代码而不是文本描述消息结构 #

项目2中，根本无协议的描述文本，只有一个包含结构体定义的头文件供协议的使用者参考。

通信就会涉及到多个机器，所以通信协议必须要能跨平台。而我们知道

struct A
    {
        char x;
        int y;
    };

在不同编译器，不同平台，不同编译选项下会有不同的二进制布局。况且协议使用者也可能看不懂C系语言代码。更搞笑的是，头文件中竟然没有强制结构体单字节对齐。

问到协议的设计者设计思路时，说我们公司一直这样啊，一直没问题啊。之所以没有问题，是因为使用这个协议的所有机器都是同一CPU型号，同一开发环境，同一操作系统。

# 3 糟糕设计之三：传送二进制浮点数 #

浮点数的二进制格式并不是只有一种，不同平台采用不同的方式存放。这要比大端小端的整数差别更加严重。所以跨平台传送二进制浮点数是非常不安全的。而在项目2中，消息中大量使用了二进制浮点数。

要传送浮点数，通常有两种解决方式：

*  文本化。也就是传送描述浮点数的字符串，我们知道字符串是完全跨平台的，尤其是在UTF-8这样全球统一字符编码的情况下。
 *  转换为整数。例如1.2，可以用整数12代替，只是要规定单位为0.1即可。

# 4 糟糕设计之三：大量备用字段 #

项目二的消息结构体类似如下：

struct A
    {
        char name[16];
        int age;
        int spare1;
        short spare2;
        short spare3;
        int spare4;
    };

大量的备用字段充斥在结构体中。少量的备用字段可以理解，如此大量的后备力量，真是深远谋虑啊。真不知道协议使用者在看到spare时会不会吐。如果真的需要这么多备用字段，完全可以重新定义一个消息结构了。

# 5 糟糕设计之四：照猫画虎的握手和校验 #

握手和校验是保证安全完整通信的基本手段，但是其实现却非常不简单，看看TCP的实现代码就知道了，需要考虑各种异常情况。项目二中串口设备和主机之间照猫画虎地定义了一个握手协议。开机后 设备向主机一直发送AA，主机收到AA后向设备发送AA，设备收到AA后向主机发送55，主机收到55后向设备发送55。这个简单的握手存在很多问题，随便说几个：

*  完全没有必要握手。一般的串口设备无需知道主机的工作状态，主机如果想了解设备状态，发个询问报文即可。
 *  如果主机发送AA后程序退出，那么串口设备永远也等不到来自主机的55。
 *  如果主机中途关掉，在运行时可能收到来自串口设备的AA，而此时的AA其实只是消息报文的一个字节，而不是握手信号。

只要仔细想想，还有很多类似的情况需要处理。而且实际使用过程中，确实发生了上面的情况，致使必须重启串口设备或主机。

还是项目2中，基于UDP的应用层协议自行设计了校验。其实这也无可厚非，比如著名的tftp就是这样的协议。只是设计者考虑不周，各种问题频出，最终的结果是这些校验字段根本就没有实际使用，白白浪费了网络带宽。需要说明的是，这个协议的设计者还是国内很大的一家公司，当然是国企，你懂的。