ASN.1探索 － 3 编码规则与传输语法（1 - BER）

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感谢： wmfbravo

 

3  编码规则和传输语法

本章主要介绍BER和PER两种编码规则及其衍生规则。

3.1  BER

3.1.1  基本规则

BER（Basic Encoding Rules）是ASN.1中最早定义的编码规则，在讨论详细编码规则时，我们是基于正确的抽象描述上。BER传输语法的格式一直是TLV三元组<Type, Length, Value>也可以认为是<Tag, Length, Value>，见Figure 3-1。TLV每个域都是一系列八位组，对于组合结构，其中V还可以是TLV三元组，见Figure 3-2。BER传输语法是基于八位组（为了避免不同系统上的混淆，没有采用Byte为单位）的，自定界的编码，因为其中L明确界定了八位组的长度。BER是大端编码的，其八位组的高位比特在左手边，见Figure 3-3。

Figure 3-1 TLV三元组

Figure 3-2 传输语法示例

Figure 3-3 大端编码

BER编码中的Tag（通常是一个八位组），指明了值的类型，其中一个比特表征是基本类型还是组合类型。Tag有如下两种形式：

Figure 3-4 Tag的两种形式

当Tag不大于30时，Tag只在一个八位组中编码；当Tag大于30时，则Tag在多个八位组中编码。在多个八位组中编码时，第一个八位组后五位全部为1，其余的八位组最高位为1表示后续还有，为0表示Tag结束。Tag的值需要将上图中黄色部分拼接后才能得到。

 

BER编码中Length表示Value部分所占八位组的个数，有两大类：定长方式（Definite Form）和不定长方式（Indefinite Form）；在确定方式中，按照Length所占的八位组个数又分为短、长两种形式。具体如下：

Figure 3-5 Length的三种形式

采用定长方式，当长度不大于127个八位组时，Length只在一个八位组中编码；当长度大于127时，在多个八位组中编码，此时第一个八位组低七位表示的是Length所占的长度，后续八位组表示Value的长度。

采用不定长方式时，Length所在八位组固定编码为0x80，但在Value编码结束后以两个0x00结尾。这种方式使得可以在编码没有完全结束的情况下，可以先发送部分消息给对方。

 

BER编码规则的Object Identifier注册为{joint-iso-itu-t(2) asn1(1) base-encoding(1)}，其Object Description为“"Basic Encoding of a single ASN.1 type”。

3.1.2  各类型的编码

本小节中以UNIVERSAL Tag和短型Value为例，讨论各种类型的BER编码，重点关注Value部分。在举例中，n10表示数字n是十进制数。

I. BOOLEAN

只能以primitive方式编码。

FALSE的编码为：

Figure 3-6  BOOLEAN: FALSE的编码

TRUE的编码（任何不是全0都可以）为：

或者：

Figure 3-7 BOOLEAN: TRUE的编码

II. NULL

只能以primitive方式编码，且只有一个值：

Figure 3-8 NULL的编码

III. INTEGER

只能以primitive方式编码。

我们分编、解码两个过程，正数、负数两种情况来讨论。

1)         编码过程：

Figure 3-9 INTEGER编码过程

l           对于正数，如果最高比特位为0则直接编码；如果为1，则在最高比特位之前增加一个全0的八位组。

l           对于负数，先取绝对值，再取反，最后加1。

2)         解码过程：

Figure 3-10 INTEGER解码过程

基于前面所述的规则，整数-27,066的编码为：

Figure 3-11 整数-27,066的编码

 

IV. ENUMERATED

ENUMERATED的值按照前面整数值的规则编码。

V. REAL

Figure 3-12 REAL类型编码

VI. BIT STRING

可以primitive方式编码或者constructed方式编码。

采用primitive方式，对'1011011101011'B的编码规则如下：

Figure 3-13 BIT STRING: '1011011101011'B的primitive form编码

注意在'1011011101011'B前增加了一个八位组，取值为0到7，表征这个值最后补位的个数。由发送方决定补位采用0还是1。

如果BIT STRING的值为空，则编码时，长度为1，补充的八位组为全0。

Figure 3-14 BIT STRING值为空的编码

constructed方式是在发送时，有部分编码还不能确定时采用的，前一个值的编码如下：

Figure 3-15 BIT STRING: '1011011101011'B的constructed form编码

注意Length部分采用的是不定长编码。

VII. OCTET STRING

与BIT STRING类似，但是不需要增加表征补充位个数的八位组。

VIII. OBJECT IDENTIFIER

只能以primitive方式编码。

编码时，第一个八位组采用公式：first_arc * 40+second_arc。

Table 3-1 OBJECT IDENGTIFIER第一个八位组解码

对{iso member-body f(250) type-org(1) ft(16) asn1-book(9)}的编码为：

Figure 3-16 OBJECT IDENTIFIER编码示例

注意对250的编码方式。

IX. RELATIVE-OID

与OBJECT IDENTIFIER类似，但是不需要对注册树前两段进行特殊处理。对{f(250) type-org(1) ft(16) asn1-book(9)}的编码为：

Figure 3-17 RELATIVE-OID编码示例

X. 字符串和日期

和OCTET STRING编码类似，只是Tag不同。

XI. SEQUENCE

肯定时constructed形式的。

在编码SEQUENCE时，其每个成员都要以TLV三元组方式编码，而且顺序要与SEQUENCE定义的一致。对于标记为DEFAULT的成员，即使发送方应用层给出了值，也是有发送者决定是否对该成员进行编码。

对如下定义：

v SEQUENCE { age INTEGER, single BOOLEAN } ::=

{ age 24, single TRUE }

的编码为：

Figure 3-18 SEQUENCE编码示例

如果SEQUENCE定义中包括扩展符，则省略；如果有扩展的成员则编码。

XII. SET

与SEQUENCE类似，但是成员顺序有发送者决定。

XIII. SEQUENCE OF

SEQUENCE OF的Tag与SEQUENCE相同，编码规则也相同。

对定义为：

triplet SEQUENCE OF INTEGER ::= {2, 6, 5}

的编码为：

Figure 3-19 SEQUENCE OF编码示例

XIV. SET OF

与SEQUENCE OF类似。

XV. CHOICE

严格说CHOICE类型在编码中并不存在，只是在描述中体现一种关系。编码时，是按照具体被选择的成员编码规则编码的。

对定义为：

famous CHOICE { name VisibleString, nobody NULL } ::= name:"Perec"

的编码为：

Figure 3-20 CHOICE编码示例

如果CHOICE类型显式（EXPLICIT）指定了Tag，那么该Tag应当以constructed方式编码，具体在XVI. 中讨论。

如果CHOICE类型包含有扩展符则忽略；如果有扩展成员则编码。

XVI. Tagged Value

 

如果一个类型的Tag是隐式（IMPLICIT）的（或者在模块定义中声明了IMPLICIT TAGS或者AUTOMATIC TAGS），则只有出现在关键字IMPLICIT左侧的Tag才会被编码。

如定义：

v [1] IMPLICIT INTEGER ::= -38

的编码为：

Figure 3-21 IMPLICIT TAG编码示例

如果一个类型的Tag是显式（EXPLICIT）的（或者在模块定义中声明了EXPLICIT TAGS），则要以constructed方式编码三元组系列。

如定义：

v [APPLICATION 0] EXPLICIT INTEGER ::= 38

的编码为：

Figure 3-22 EXPLICIT TAG编码示例

注意第一个Tag是APPLICTION、constructed方式，Length是后续八位组的长度。

XVII. 子类型约束

因为子类型约束是在BER编码规则之后被引入ASN.1的，所以在编码规则中不能体现约束。

XVIII. EXTERNAL

该类型不推荐使用，略。

XIX. INSTANCE OF

定义为：

v INSTANCE OF TYPE-IDENTIFIER ::=

{

type-id {iso member-body f(250) type-org(1) ft(16) asn1-book(9)

chapter18(5) integer-type(0)},

value INTEGER:5

}

的编码应当和如下一个SEQUENCE类型的值相同：

{ direct-reference {iso member-body f(250) type-org(1) ft(16) asn1-book(9)

chapter18(5) integer-type(0)},

encoding single-ASN1-type:INTEGER:5 }

编码为：

Figure 3-23 INSTANCE OF的编码示例

XX. EMBEDDED PDV

EMBEDDED PDV的编码和其等效的SEQUENCE结构编码类似。其嵌入部分的编码，应该是遵循identification成员指定的规则。

XXI. CHARACTER STRING

CHARACTER STRING的编码和其等效的SEQUENCE结构编码类似。其嵌入字符串部分的编码，应该是遵循identification成员指定的规则。

XXII. Information Objects and Object Sets

信息对象和对象集合永远都不编码。如前所述，传递他们所包含信息的途径是在值定义或者类型定义中引用他们。这样的结果，不是在编码中出现了这些信息，而是ASN.1编译器在生成编解码器时，会按照这些信息生成相应的约束表。

XXIII. Value Set

值集合的编码按照对应类型的编码规则进行。

3.1.3  BER编码规则的属性

l           BER编码规则是机器无关的：通讯应用可以很容易支持大端和这种编码格式；而且能支持各种不同的整数长度。

l           BER的传输语法是十分冗长的：T和L很多情况下都是可以省略的，但是这种冗余信息一些情况下也有显著的优势，它能很好的保藏抽象语法结构，BER传输语法能容易升级而且向上兼容。如每个类型都可以用CHOICE来代替：

T ::= IA5String                              -- old version

可以更新为：

T ::= CHOICE {

iA5String              IA5String,

universalString      UniversalString } -- new version

当旧的解码器收到universalString时，它可以明确知道收到的不是iA5String，而且知道具体长度，可以很容易忽略这个信元。

在此基础上，可以看出，BER规则中SEQUENCE、SET都是缺省可扩展的。另外，对ENUMERATED，BER也没有对边界进行限定，因此也是可扩展的。

当整个抽象语法都是显式（EXPLICIT）Tag时，解码器能在不了解具体抽象语法的情况下解码，能以更为用户友好的方式展示结果。如对BOOLEAN类型显示为“TRUE”或者“FALSE”而不是码字。

置于长度，如果系统性的使用长度，可以根据使用情况更为有效传递，而不用严格传输诸如SIZE（200）。

 

当然，BER的优势在某些方面也成了不足之处，这也导致了其它编码规则的产生。

3.1.4  一个完整的例子

这里，以一个HTTP的片段作为示例：

MyHTTP DEFINITIONS AUTOMATIC TAGS ::=

BEGIN

GetRequest ::= SEQUENCE

{

header-only           BOOLEAN,

lock                             BOOLEAN,

accept-types         AcceptTypes,

url                        Url,

...

}

 

AcceptTypes ::= SET

{

standards             BIT STRING {html(0), plain-text(1), gif(2),

jpeg(3)} (SIZE (4)) OPTIONAL,

others                   SEQUENCE OF VisibleString (SIZE (4))

OPTIONAL

}

 

Url ::= VisibleString (FROM ("a".."z"|"A".."Z"|"0".."9"|"./-_~%#"))

 

v GetRequest ::=

{

header-only           TRUE,

lock                             FALSE,

accept-types         { standards {html,plain-text} },

url                        "www.asn1.com"

}

END

 

值v对应的BER编码结果为：

Figure 3-24 BER编码示例