3.3.2 应用层协议设计protobuf(二进制序列化协议)
文章目录
- 3.3.2 应用层协议设计protobuf(二进制序列化协议)
- 1. 什么是协议设计
- 什么是协议
- 为什么说进程间通信就需要协议,而不是客户端与服务端之间
- 为什么需要自己设计协议
- 2. 判断消息的完整性->区分消息的边界
- 1.固定长度
- 2. 特定符号
- 3. 固定消息头加消息体
- 4. 序列化后buffer前面加上一个字符流的头部,有个字符加上信息长度
- 3. 协议设计
- 1. 重点
- 2. 设计范例
- 1. IM即时通讯
- 2. 云平台节点服务器
- 3, nginx反向代理协议
- 4. http
- 5. redis
- 3. 序列化方法
- 1. 序列化和反序列化概念
- 2. 什么情况下需要序列化
- 3. 常见序列化方法(xml,json,protocolbuffer)
- 4. protobuf使用
- protobuf协议的工作流程:
- protobuf为什么省字节:
- 3. protobuf使用实例以及工程经验
- 4. protobuf编码原理
- 5. protobuf的数据组织,协议消息升级
- 5. 扩充oneof
- 6.示例
3.3.2 应用层协议设计protobuf(二进制序列化协议)
重点:
1.掌握通信协议设计原理
2.理解protobuf为什么快
3.掌握protobuf怎么在工程使用
1. 什么是协议设计
什么是协议
协议(Protocol) 是一套规则或约定,用于规范不同实体之间通信的格式、内容、顺序以及如何处理错误等。
在计算机系统中:
- 协议定义了数据如何编码、传输与解释。
- 类似现实生活中的“语言”:如果你我要对话,必须说同一种语言、知道语序、停顿、语义。
比如:
- TCP 协议规定了传输层如何建立连接、如何可靠传输数据;
- HTTP 协议规定了浏览器和服务器之间如何请求和响应网页;
- 自定义的“消息格式”也是协议
为什么说进程间通信就需要协议,而不是客户端与服务端之间
客户端与服务端之间的通信,就是一种进程间通信(跨主机或本地)。进程间通信(IPC)包括:
- 本地 IPC:如共享内存、管道、消息队列;
- 网络 IPC:如 TCP/IP 通信(典型是客户端-服务器模式)。
不管哪种,只要两个独立进程之间要交换数据,就必须达成“怎么解释这些数据”的共识 —— 即需要 协议
为什么需要自己设计协议
原因 | 描述 |
---|---|
效率需求 | 可能只需要几个字节传输,不需要完整 HTTP 报文(太臃肿) |
场景定制 | 系统消息结构是固定/可预测的,用现成协议反而复杂 |
资源受限 | 在嵌入式或无人机/无人船等平台,资源宝贵,自己设计协议可以压缩带宽和内存使用 |
安全性 | 有些自定义协议对攻击者来说是“黑盒”,可降低被攻击面 |
功能扩展方便 | 可以灵活设计ACK机制、心跳包、数据校验等机制 |
举例:简单的自定义协议
[HEAD][TYPE][LEN][DATA][CRC]
- HEAD:帧头(0xAA55);
- TYPE:消息类型(如心跳/导航指令);
- LEN:数据长度;
- DATA:数据本体;
- CRC:校验码。
这种协议既精简又高效,适用于 USV/UAV 协同这类低时延、低资源的跨平台通信。
2. 判断消息的完整性->区分消息的边界
1.固定长度
- 每条消息占用固定的字节数,没有冗余的长度字段;
- 接收方按照“每N字节一条消息”读取和处理
优点:
- 解析速度极快,无需动态判断;
- 非常适合带宽有限、实时性强的嵌入式或硬实时系统;
- 实现简单,不需要缓冲区滚动或多线程解析器。
缺点:
- 缺乏灵活性,不能应对可变数据量;
- 可能造成 空间浪费(实际数据 < 固定长度);
- 不适合复杂的交互系统或信息种类过多的系统。
2. 特定符号
- 用特殊字符/标志表示消息开始和结束,如:
<SOF>数据内容<EOF>
举例:
- GPS NMEA 协议:
$GPRMC,.....*校验码\r\n
- 串口通信中常见
<STX>...<ETX>
优点:
- 可变长度支持;
- 清晰易读,调试方便(尤其串口、日志里常用)。
缺点:
- 需要转义特殊字符(若内容中也出现SOF/EOF字符);
- 协议解析器略复杂
- 对字节流完整性要求较高(中间SOF/EOF丢失会错位)
3. 固定消息头加消息体
- 报文格式一般为:
| HEAD | TYPE | LENGTH | BODY | CRC |
- 解析时先识别HEAD,再读取LENGTH字段确定接收多少字节。
举例:
- 工业协议如 Modbus、CAN、无人机MAVLink;
优点:
- 通用性最强;
- 支持变长数据,适合异构系统通信;
- 能加校验码(CRC)、消息ID(用于ACK、重传等)等高级特性
缺点:
- 相比纯固定长度复杂
4. 序列化后buffer前面加上一个字符流的头部,有个字符加上信息长度
原理:
- 先用 JSON、Protobuf 等序列化数据;
- 再加上前缀(如总长度),如:
[4字节长度][序列化后的内容]
举例:
- Redis 使用 RESP 协议(文本前缀 + 换行符);
- HTTP/2、gRPC、Kafka 等使用 [length][payload];
- socket.io、Thrift 等也有类似机制。
优点:
- 灵活性最高;
- 可嵌套结构体(如嵌入式系统与服务器对接);
- 配合现成的库(Protobuf/Flatbuffers)效率也很高。
缺点:
- 要引入额外序列化库;
- 消息体结构需要双方都了解(或共享 schema)
- 带宽、内存资源敏感的设备慎用(不适合裸片/超轻系统)
3. 协议设计
1. 重点
- 消息边界
- 版本区分
- 消息类型区分
- 消息budy序列化协议选择
2. 设计范例
1. IM即时通讯
- 消息边界:第一个字节作为帧的起始
- 版本号:靠前放
- appid:识别不同客户
- service_id:对应命令的分类组
- commend_id:分组里面的子命令
- seq_num:消息序号(业务序号)
- reserve:保留
头有十六个字节 - body
2. 云平台节点服务器
- STAG:通信协议数据开始标记
- version:版本号
- checksum:校验和,crc校验
- type:协议体格式(json,xml,protobuf等)
- seqno:序列号
- length:报文长度
- reserve:保留
头有十八个字节 - body
3, nginx反向代理协议
Nginx 自身协议不多,但它支持例如:
- HTTP(标准格式)
- FastCGI、GRPC、Websocket 转发协议
- 内部也可做 X-Forwarded-For、X-Real-IP 等头部协议标注。
实践中经常会在 Header 中加自定义字段来传递用户/设备上下文
4. http
两个换行符之后就是body,复杂
5. redis
缺点:
- 基于行文本协议,有前缀
*
、$
等表示参数数量/长度; - 单行或多行结构都可以表示;
- 高效解析、极简实现、支持 pipeline。
优点:
- 文本协议,调试方便;
- 对性能也进行了很好的优化
3. 序列化方法
1. 序列化和反序列化概念
序列化(Serialization)
将内存中的对象(数据结构)转换为可存储或传输的格式。
常用于把:
- 内存对象 → 字节流 / 字符串 / 文件 / 网络报文
比如把结构体 Person{name="Tom", age=25}
转换成:
"{"name":"Tom","age":25}"
(JSON)0A 03 54 6F 6D 10 19
(protobuf 编码)
反序列化:
把序列化后的格式重新转换回内存中的对象。
它是序列化的逆过程,接收到字节流或字符串后重新还原成程序对象
2. 什么情况下需要序列化
场景一:网络通信
- 客户端和服务端要通过网络传输结构化数据;
- 需要把对象编码成“可发送的格式”;
- 常用于 API 通信、微服务通信、远程调用(RPC)。
场景二:数据存储
- 对象持久化到磁盘、缓存、数据库等;
- 比如存储用户配置、本地缓存等。
场景三:跨语言/平台通信
- 不同语言之间的数据交互(如 Python ↔ C++);
- 需要通用协议(JSON、protobuf)
3. 常见序列化方法(xml,json,protocolbuffer)
序列化格式 | 可读性 | 压缩效率 | 跨语言 | 编码速度 | 使用场景举例 |
---|---|---|---|---|---|
JSON | ✅ 高 | ❌ 一般 | ✅ 强 | ✅ 快 | Web API、配置文件 |
XML | ✅ 高 | ❌ 差 | ✅ 强 | ❌ 慢 | 配置、SOAP协议 |
protobuf | ❌ 差 | ✅ 高 | ✅ 强 | ✅ 非常快 | 微服务、IoT传输 |
JSON(JavaScript Object Notation)
{"name":"Alice","age":23}
- 文本格式,易读易写;
XML(eXtensible Markup Language)
<person><name>Alice</name><age>23</age></person>
- 结构清晰,冗余更高;
Protocol Buffers(Google 出品)
message Person {string name = 1;int32 age = 2;
}
- 编译成高效二进制格式
- 非常适合高性能、低带宽传输场景
- 支持版本升级、字段可选
4. protobuf使用
由 Google 提出的一种语言无关、平台无关、可扩展的结构化数据序列化方法
IDL:接口描述语言‘
protobuf协议的工作流程:
(1)编写 .proto
文件(IDL,接口描述语言)
syntax = "proto3";message Person {int32 id = 1;string name = 2;string email = 3;
}
(2)用 protoc
编译器生成语言对应的代码
protoc --cpp_out=. person.proto
生成文件包括:
person.pb.h
:头文件,包含类声明person.pb.cc
:源文件,包含实现
(3)在代码中使用
#include "person.pb.h"Person p;
p.set_id(123);
p.set_name("Alice");
p.set_email("alice@example.com");string data;
p.SerializeToString(&data); // 序列化成二进制字符串Person p2;
p2.ParseFromString(data); // 反序列化回来
(4)编译时记得加上 .pb.cc
g++ main.cpp person.pb.cc -lprotobuf -o myprog
protobuf为什么省字节:
1)只传编号,不传字段名
- Protobuf 会将每个字段赋予一个唯一编号(比如
name = 2
) - 序列化时不会发送“name”,而是发送编号 2 + 内容
- 这比 JSON 里
"name":"Alice"
要节省非常多
2)可变长度编码(Varint)
- 小数字用更少字节表示,比如:
int32 id = 1;
→ 值为5
时只用 1 个字节
- 不像固定长度的
int32
总是占 4 字节
3)不传默认值
- 字段没设置时不会被序列化(默认值省略)
- 例如,
string name = ""
不会写入输出数据
3. protobuf使用实例以及工程经验
- proto文件命名规则:工程名.模块名.proto
- proto命名空间
- 引用文件
import "auth/user.proto";message LoginRequest {auth.User user = 1;
}
- 多个平台使用同一份proto文件(独立git去维护这个git文件)
4. protobuf编码原理
- TLV结构
- T(Tag):字段编号 + wire type
- L(Length):字段长度(部分类型,如 string, bytes)
- V(Value):字段值本身
例如:
message Person {int32 id = 1;string name = 2;
}
会被编码为:
[Tag=8][Varint=id] [Tag=18][Length][String=name]
2.为什么要用变长编码
原理(Base128 编码):
- 一个字节只有 7 位存储有效数据,第 8 位(MSB)表示是否还有下一个字节。
- 最后一字节的 MSB 为 0,其他为 1。
数值 | 二进制 | Base128 表示(字节流) |
---|---|---|
1 | 00000001 | 0x01 |
300 | 100101100 | 0xAC 0x02 |
优点:
- 小整数压缩特别高效(如常见的 id、flag)
- 节省带宽与存储
缺点:
- 编码解析稍复杂(需 bit 操作)
和固定长度编码区别
类型 | 描述 | 优点 | 缺点 | 场景 |
---|---|---|---|---|
可变长度(Varint) | int32、int64、bool 等 | 小数字更节省 | 编解码复杂,性能略差 | id、flag、状态位、枚举等 |
固定长度 | fixed32、fixed64 | 编解码快,CPU 缓存友好 | 小数字浪费空间 | 经纬度、时间戳、浮点数、hash值等 |
5. protobuf的数据组织,协议消息升级
- 新增字段
message User {uint32 id = 1;string name = 2;string email = 3; // 新增字段
}
- 老版本:直接忽略
email
- 新版本:可正常使用
email
- 删除字段的错误方式
message User {uint32 id = 1;// 删除 name = 2 (错误❌)
}
正确方式是:
message User {uint32 id = 1;reserved 2;reserved "name";
}
- 字段编号变动(大坑)
// 老版本
string nickname = 2;// 新版本(错误)
string nickname = 4; // ❌ 改了 tag 编号
老版本程序会错误地把别的字段解析成 nickname
,数据混乱
向前兼容 vs 向后兼容
兼容方向 | 定义 | 例子 |
---|---|---|
向前兼容 | 新代码能读取老数据 | 老版本写的 protobuf,新代码能读 |
向后兼容 | 老代码能读取新数据(忽略新增字段) | 老版本代码能跑新版消息 |
Protobuf 默认支持 向后兼容,即新增字段自动被老版本忽略
5. 扩充oneof
一种节省空间并简化协议字段表示的方法
- 可以安全添加新字段
message Action {oneof cmd {string login = 1;string logout = 2;string heartbeat = 3; // ✅ 安全新增}
}
兼容性说明:
- 向后兼容:老版本程序会忽略
heartbeat
- 向前兼容:新版本能正常解析老版本发出的
login/logout
- 不可删除已有字段
// 错误示范
message Action {oneof cmd {string login = 1;// 删除 logout = 2 ❌}
}
即使客户端不再使用某个字段,也不要删除,应该使用 reserved
:
reserved 2;
reserved "logout";
6.示例
message.proto
syntax = "proto3";
package demo;message HelloRequest {string name = 1;
}message HelloReply {string message = 1;
}
main.cpp
#include <iostream>
#include "message.pb.h"int main() {demo::HelloRequest req;req.set_name("HIT");demo::HelloReply rep;rep.set_message("Hello " + req.name());std::cout << rep.message() << std::endl;return 0;
}
CMakeLists.txt
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(protobuf_demo)
#寻找系统中安装的 Protobuf 库
find_package(Protobuf REQUIRED)# 编译 .proto 文件为 .pb.h 和 .pb.cc
protobuf_generate_cpp(PROTO_SRCS PROTO_HDRS message.proto)#创建一个可执行程序 main,它会编译 main.cpp 和刚才生成的 .pb.cc 文件
add_executable(main main.cpp ${PROTO_SRCS} ${PROTO_HDRS})#把 protobuf 的库链接进可执行程序中,比如 libprotobuf.a 或 libprotobuf.so
target_link_libraries(main PRIVATE ${Protobuf_LIBRARIES})指定 .pb.h 的头文件路径,告诉编译器去哪里找
target_include_directories(main PRIVATE ${Protobuf_INCLUDE_DIRS})
- 编译步骤
mkdir build
cd build
cmake ..
make
./main
# 输出:Hello HIT
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目录 开机自启动: /etc/rc.loacl system V 使用/etc/rc*.d/系统运行优先级 遇到的问题: 1. Linux 系统启动阶段概述 方法1:/etc/rc5.d/ 脚本延时日志 方法二:使用 udev 规则来触发脚本执行 开机自启动: /etc/…...
OpenCV day2
Matplotlib相关知识 Matplotlib相关操作: import numpy as np from matplotlib import pyplot as pltx np.linspace(0, 2 * np.pi, 100) y1 np.sin(x) y2 np.cos(x)# 使用红色虚线,圆点标记,线宽1.5,标记大小为6绘制sin plt.p…...
OpenCV 图形API(31)图像滤波-----3x3 腐蚀操作函数erode3x3()
操作系统:ubuntu22.04 OpenCV版本:OpenCV4.9 IDE:Visual Studio Code 编程语言:C11 算法描述 使用3x3矩形结构元素腐蚀图像。 该函数通过使用中心作为锚点的3x3矩形结构元素来腐蚀源图像。腐蚀操作可以应用多次(迭代࿰…...
机器学习概述自用笔记(李宏毅)
机器学习概述 机器学习即找一个复杂的人类写不出来的函数,把输入(向量,矩阵,序列)转换为输出。 regression:输出是一个数值(预测PM2.5的数值) classification:选择设置…...
大数据面试问答-Spark
1. Spark 1.1 Spark定位 "Apache Spark是一个基于内存的分布式计算框架,旨在解决Hadoop MapReduce在迭代计算和实时处理上的性能瓶颈。 1.2 核心架构 Spark架构中有三个关键角色: Driver:解析代码生成DAG,协调任务调度&a…...
UE5 设置父物体和解除父子关系(移除子物体)
文章目录 设置父物体解除父子关系 Acotor类似于untiy的objecttransfrom,可以用来进行父子操作 设置父物体 Actor attach to Actor节点 解除父子关系 Detach From Actor...
Git - 怎么把当前修改追加到前面某个commit中
怎么把当前修改追加到前面某个commit中 git log commit b7cb11b53388d410d07e3b3084c67274cee4cdad (HEAD -> hotfix/task-108344, origin_dbackup/hotfix/task-108344) Author: aaa <aaammm.com> Date: Thu Mar 27 15:08:32 2025 0800Fix #108344: add bbbcommit …...
【HFP】蓝牙 HFP 协议状态通知机制研究
目录 一、状态通知体系架构 1.1 核心功能矩阵 1.2 三层控制体系 1.3 角色分工 1.4 协议栈层级 二、核心AT命令解析 2.1 ATCMER:指示器状态报告控制 2.2 ATBIA:指示器激活控制 2.3 CIEV:未请求结果码 三、关键功能实现机制 3.1 注册…...
unity100天学习计划
以下是一个为期100天的Unity学习大纲,涵盖从零基础到独立开发完整游戏的全流程,结合理论、实践和项目实战,每天学习2-3小时: 第一阶段:基础奠基(Day 1-20) 目标:掌握Unity引擎基础与C#编程 Day 1-5:引擎入门 安装Unity Hub和Unity Editor(LTS版本)熟悉Unity界面:S…...