[C/C++后端开发学习]22 协议设计与Protobuf

通信协议设计

基本要素

• 要能完整地识别一帧数据（帧完整性）
• 能够进行序列化和反序列化
• 能够进行协议升级（包括客户端和服务端，需要指明协议版本）
• 协议具备安全性（加解密）
• 能够实现数据压缩，减小传输数据量

消息帧完整性的判断方法

• 1、强制固定每个消息的数据长度，比如规定每个消息都发128字节
  这显然是很拙劣的方法。
• 以特定符号来作为分界，如“\r\n”
  2、如果传输的消息中也带有这个符号就不可行了。
• 3、固定消息头head+消息体结构body
  消息头的长度固定，其中带有指明消息数据长度的字段。先接收头部，解出这个消息完整⻓度，再按此⻓度接收消息体。

  是⽬前各种⽹络应⽤⽤的最多的⼀种消息格式

• 4、字符流的头部+消息体，如HTTP协议和redis协议
  头部中有个字段存储消息总⻓度（content-length），根据特殊字符（⽐如\r\n或者\0）判断头部的完整性。由于不确定头部的长度，显然比第3种方法要麻烦一些。很多时候我们觉得HTTP协议简单只是因为我们对它比较熟悉罢了。

哪些场景适合使用HTTP协议：

1. 对公⽹⽤户api，HTTP协议的穿透性最好，所以最适合；
2. 效率要求没那么⾼的场景；
3. 希望提供更多⼈熟悉的接⼝，⽐如新浪微博、腾讯提供的开放服务接⼝；

Protobuf就是基于方法3的。

主流序列化协议

类型	通信性	数据量	格式
XML	通用	重量级	文本（清晰易懂）
JSON	通用	轻量级	文本（方便调试）
Protobuf	独立	轻量级	二进制（高效）

序列化和反序列化性能对比：

• 10万次序列化
  
• 10万次反序列化
  

Protobuf

Protocol buffers 是⼀种语⾔中⽴、平台⽆关、可扩展的序列化数据的格式，只需使⽤ IDL（Interface description language，接⼝描述语⾔）对数据结构进⾏描述，就可以利⽤ Protocol buffers 的代码⽣成⼯具⽣成与序列化和反序列化相关的底层代码。

我们可以简单理解为：Protobuf根据 .proto 文件将一个类序列化为一个二进制串，然后通过API进行传输或存储。

使用protobuf

1. 根据消息的结构编写.proto文件；
2. ⽣成对应的.pb.cc和.pb.h⽂件。其中定义了消息的类，消息字段就是类成员，包含了设置和获取各个成员的方法；
3. 在代码中使用这些类并编译：
   g++ -std=c++11 -o proto_test *.cc *.pb.cc -lprotobuf -lpthread

使用 libprotobuf 提供的API可以对消息类进行序列化和反序列化，如果消息的接收端没有描述该消息结构的 .proto 文件，拿到数据以后也无法解释成正常的数据。因此也可以认为 Protocol Buffer 比 JSON，XML 更安全一点点。

IDL语法

如何编写 .proto 文件请参考Language Guide (proto3)。

编译.proto

生成.pb.cc和.pb.h 文件的指令为：

protoc -I=input_dir --cpp_out=output_dir  *.proto

命名规范

message、枚举类型、服务名、方法名等均采用驼峰命名法，开头首字母大写命名。字段名采用下划线分隔法命名。

service ItemService {
  rpc GetSomething(ItemRequest) returns (ItemResponse);
}

message ItemServerRequest {
	required string item_name = 1;
	
	enum ItemType {
	  TYPE1_VALUE = 0;
	  TYPE2_VALUE = 1;
	}
}

在C++中使用protobuf

参考Protocol Buffer Basics: C++。

protobuf 编码

编码有助于对通过对序列化后的数据进行压缩。参考高效的数据压缩编码方式 Protobuf。