一次彻底搞透协议设计（没做过通讯底层也没有关系）！
系統設計，協議先行。
大部分人不了解協議的設計細節，更多使用已有協議進行應用層設計，例如：
（1）使用HTTP，設計get/post/cookie參數，以及json包格式；
（2）使用dubbo，而不用去深究內部的二進制包頭包體細節；
無論如何，了解協議設計的原則，對深入理解系統通信非常有幫助。
一、協議的分層設計
所謂“協議”，是雙方共同遵守的規則，例如：離婚協議，停戰協議。協議有語法、語義、時序三要素：
（1）語法，即數據與控制信息的結構或格式；
（2）語義，即需要發出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應；
（3）時序，即事件實現順序的詳細說明；
畫外音：后文主要講語法設計。
協議設計通常分為三層：應用層協議、安全層協議、傳輸層協議。
下面分別看下這三層的協議應該如何選型。
二、應用層協議設計
應用層協議選型，常見的有三種：文本協議、二進制協議、流式XML協議。
文本協議
文本協議是指“貼近人類書面語言表達”的通訊傳輸協議，典型的協議是HTTP協議，一個HTTP協議的請求報文樣例如下：
GET / HTTP/1.1
User-Agent: curl
Host: musicml.net
Accept: */*
文本協議的特點是：
（1）可讀性好，便于調試；
（2）擴展性較好，能通過key:value擴展；
（3）解析效率不高，一行一行讀入，按照冒號分割，解析key和value；
（4）對二進制不友好?，比如語音/視頻等；
二進制協議
二進制協議即binary協議，典型是IP協議，以下是IP協議的一個圖示：
二進制協議一般包含：
（1）定長包頭；
（2）可擴展變長包體；
（3）一般每個字段有固定的含義，以IP協議為例，前4個bit表示協議版本號（Version）；
二進制協議的特點是：
（1）可讀性差，難于調試；
畫外音：打日志一般需要一個toString()函數增強可讀性。
（2）擴展性不好，如果要擴展字段，舊版協議就不兼容了，所以設計時一般會有一個Version字段；
（3）解析效率超高，幾乎沒有解析代價，二進制流的每個字段表示固定含義；
（4）天然支持二進制流 ，比如語音/視頻；
這是一個典型的16字節二進制定長包頭的例子：
//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個字節表示版本號version；
（2）接下來4個字節表示魔法數字magic_num，用來解決數據錯位或丟包問題；
畫外音：例如，約定好魔法數字是0x01020304，收到的報文，魔法數字匹配，認為是正常報文，否則認為是報文異常，斷開連接。
（3）接下來4個字節表示命令號command，不同的命令號對應不同的變長包體；
（4）最后4個字節表示包體長度length，以確定變長包體有多少字節；
這是一個實際的二進制變長包體：
message CUserLoginReq {
? optional string username = 1;
? optional string passwd = 2;
}
message CUserLoginResp {
? optional uint64 uid =1;
}
它使用的是Google的Protobuf協議，容易看到：
（1）請求報文傳入的是用戶名與密碼；
（2）響應包返回的是用戶的uid；
PB是很流行的二進制變長包體協議，其優點為：
（1）通用，可以生成C++、Java、PHP等多語言代碼；
（2）自帶壓縮功能；
（3）對二進制友好；
（4）在工業界已廣泛應用；
畫外音：Google出品，必屬精品。
流式XML協議
流式XML似乎是文本協議的一個特例，亦可以單獨作為一類。例如：xmpp就是典型的流式XML協議，下面是xmpp協議的一個典型報文：
<message
to=’romeo@example.net’
from=’juliet@example.com’
type=’chat’
xml : lang=’en’>
<body>Wherefore art thou, Romeo?</body>
</message>
從xml標簽中大致可以判斷這是一個juliet發給romeo的聊天消息。
XML協議有幾個特點：
（1）可讀性好，擴展性好，這是XML的特性；
（2）解析代價超高，需要進行dom樹分析；
（3）有效數據傳輸率超低，有大量的標簽；
（4）對二進制不友好 ，比如語音/視頻等；
三、安全層協議設計
安全層協議設計，除了使用SSL，自行實現的話，常見的又有以下三種方案。
畫外音：SSL秘鑰管理是個問題。
固定密鑰
服務端和客戶端約定好一個密鑰，同時約定好一個加密算法（例如：AES），每次客戶端發送報文前，就用約定好的算法，以及約定好的密鑰加密再傳輸，服務端收到報文后，用約定好的算法，約定好的密鑰再解密。
畫外音：安全性低，安全性基于程序員的職業操守。
一人一密
簡單來說，就是一個人的密鑰是固定的，但是每個人之間又不同。常見的實現方式是：
（1）固定加密算法；
（2）加密秘鑰使用“用戶的某一特殊屬性”，比如用戶uid、手機號、qq號、用戶密碼等；
一次一密
即動態密鑰，一Session一密鑰的安全性更高，每次會話前協商密鑰。密鑰協商的過程要經過2次非對稱密鑰的隨機生成，1次對稱加密密鑰的隨機生成，具體詳情這里不展開。
四、傳輸層協議設計
可選的協議有TCP和UDP，現在基本都是使用TCP，有了epoll等技術后，多連接就不是瓶頸了，單機幾十萬鏈接沒什么問題。
《新程序員》：云原生和全面數字化實踐50位技術專家共同創作，文字、視頻、音頻交互閱讀總結
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