通信协议之序列化——TLV详解

       通信协议可以理解两个节点之间为了协同工作实现信息交换，协商一定的规则和约定，例如规定字节序，各个字段类型，使用什么压缩算法或加密算法等。常见的有tcp，udo，http，sip等常见协议。协议有流程规范和编码规范。流程如呼叫流程等信令流程，编码规范规定所有信令和数据如何打包/解包。
       编码规范就是我们通常所说的编解码，序列化。不光是用在通信工作上，在存储工作上我们也经常用到。如我们经常想把内存中对象存放到磁盘上，就需要对对象进行数据序列化工作。
       本文采用先循序渐进，先举一个例子，然后不断提出问题-解决完善，这样一个迭代进化的方式，介绍一个协议逐步进化和完善，最后总结。看完之后，大家以后在工作就很容易制定和选择自己的编码协议。

一、紧凑模式

       本文例子是A和B通信，获取或设置基本资料，一般开发人员第一步就是定义一个协议结构:

struct userbase
{
	unsigned short cmd;//1-get, 2-set, 定义一个short，为了扩展更多命令(理想那么丰满)
	unsigned char gender; //1 – man , 2-woman, 3 - ??
	char name[8]; //当然这里可以定义为 string name；或len + value 组合，为了叙述方便，就使用简单定长数据
}

       在这种方式下，A基本不用编码，直接从内存copy出来，再把cmd做一下网络字节序变换，发送给B。B也能解析，一切都很和谐愉快。
       这时候编码结果可以用图表示为(1格一个字节)
                            
       这种编码方式，我称之为紧凑模式，意思是除了数据本身外，没有一点额外冗余信息，可以看成是Raw Data。在dos年代，这种使用方式非常普遍，那时候可是内存和网络都是按K计算，cpu还没有到1G。如果添加额外信息，不光耗费捉襟见肘的cpu，连内存和带宽都伤不起。

二、可扩展性
       有一天，A在基本资料里面加一个生日字段，然后告诉B。

struct userbase
{
	unsigned short cmd;
	unsigned char gender;
	unsigned int birthday;//new
	char name[8];
}

       这是B就犯愁了，收到A的数据包，不知道第3个字段到底是旧协议中的name字段，还是新协议中birthday。这是后A，和B终于从教训中认识到一个协议重要特性——兼容性和可扩展性。
       于是乎，A和B决定废掉旧的协议，从新开始，制定一个以后每个版本兼容的协议。方法很简单，就是加一个version字段。

struct userbase
{
	unsigned short version;//new
	unsigned short cmd;
	unsigned char gender;
	unsigned int birthday;
	char name[8];
}

       这样，A和B就松一口气，以后就可以很方便的扩展。增加字段也很方便。这种方法即使在现在，应该还有不少人使用。

三、更好的可扩展性

       过了一段较长时间，A和B发现又有新的问题，就是没增加一个字段就改变一下版本号，这还不是重点，重点是这样代码维护起来相当麻烦，每个版本一个case分支，到了最好，代码里面case 几十个分支，看起来丑陋而且维护起来成本高。
       A 和 B仔细思考了一下，觉得光靠一个version维护整个协议，不够细，于是觉得为每个字段增加一个额外信息——tag,虽然增加内存和带宽，但是现在已经不像当年那样，可以容许这些冗余，换取易用性。

struct userbase
{
	unsigned short version;
	unsigned short cmd;
	unsigned char gender;
	unsigned int birthday;
	char name[8];
}

              
       制定完这些协议后，A和B很得意，觉得这个协议不错，可以自由的增加和减少字段。随便扩展。
       现实总是很残酷的，不久就有新的需求，name使用8个字节不够，最大长度可能会达到100个字节，A和B就愁怀了，总不能即使叫“steven”的人，每次都按照100个字节打包，虽然不差钱，也不能这样浪费。
       于是A和B寻找各方资料，找到了ANS.1编码规范，好东西啊… ASN.1是一种ISO/ITU-T 标准。其中一种编码BER（Basic Encoding Rules）简单好用，它使用三元组编码，简称TLV编码。

每个字段编码后内存组织如下：

                                                 
字段可以是结构，即可以嵌套
                                          
A和B使用TLV打包协议后，数据内存组织大概如下:
                 
       TLV具备了很好可扩展性，很简单易学。同时也具备了缺点，因为其增加了2个额外的冗余信息，tag 和len，特别是如果协议大部分是基本数据类型int ,short, byte. 会浪费几倍存储空间。另外Value具体是什么含义，需要通信双方事先得到描述文档，即TLV不具备结构化和自解释特性。

四、自解释性

       当A和B采用TLV协议后，似乎问题都解决了。但是还是觉得不是很完美，决定增加自解释特性，这样抓包就能知道各个字段类型，不用看协议描述文档。这种改进的类型就是 TT[L]V（tag，type，length，value），其中L在type是定长的基本数据类型如int,short, long, byte时候，因为其长度是已知的，所以L不需要。

于是定义了一些type值如下：

按照ttlv序列化后，内存组织如下：
               
       改完后，A和B发现，的确带来很多好处，不光可以随心所以的增删字段，还可以修改数据类型，例如把cmd改成int cmd；可以无缝兼容。真是太给力了。

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