简介： 系统设计，协议先行。
大部分人不了解协议的设计细节，更多使用已有协议进行应用层设计，例如：
（1）使用HTTP，设计get/post/cookie参数，以及json包格式；
（2）使用dubbo，而不用去深究内部的二进制包头包体细节；
无论如何，了解协议设计的原则，对深入理解系统通信非常有帮助。
一、协议的分层设计所谓“协议”，是双方共同遵守的规则，例如：离婚协议，停战协议。协议有语法、语义、时序三要素：（1）语法，即数据与控制信息的结构或格式；（2）语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；（3）时序，即事件实现顺序的详细说明；
画外音：后文主要讲语法设计。
协议设计通常分为三层：应用层协议、安全层协议、传输层协议。
下面分别看下这三层的协议应该如何选型。
二、应用层协议设计
应用层协议选型，常见的有三种：文本协议、二进制协议、流式XML协议。
文本协议
文本协议是指“贴近人类书面语言表达”的通讯传输协议，典型的协议是HTTP协议，一个HTTP协议的请求报文样例如下：
<code>GET / HTTP/1.1User-Agent: curlHost: musicml.netAccept: */*/<code>
文本协议的特点是：（1）可读性好，便于调试；（2）扩展性较好，能通过key:value扩展；（3）解析效率不高，一行一行读入，按照冒号分割，解析key和value；（4）对二进制不友好 ，比如语音/视频等；
二进制协议二进制协议即binary协议，典型是IP协议，以下是IP协议的一个图示：
二进制协议一般包含：
（1）定长包头；
（2）可扩展变长包体；
（3）一般每个字段有固定的含义，以IP协议为例，前4个bit表示协议版本号（Version）；
二进制协议的特点是：
（1）可读性差，难于调试；
画外音：打日志一般需要一个toString()函数增强可读性。
（2）扩展性不好，如果要扩展字段，旧版协议就不兼容了，所以设计时一般会有一个Version字段；（3）解析效率超高，几乎没有解析代价，二进制流的每个字段表示固定含义；（4）天然支持二进制流 ，比如语音/视频；
这是一个典型的16字节二进制定长包头的例子：
<code>//sizeof(cs_header)=16struct cs_header { uint32_t version; uint32_t magic_num; uint32_t cmd; uint32_t len; uint8_t data[];}__attribute__((packed));/<code>其中：
（1）前4个字节表示
版本号version；（2）接下来4个字节表示魔法数字magic_num，用来解决数据错位或丢包问题；
画外音：例如，约定好魔法数字是0x01020304，收到的报文，魔法数字匹配，认为是正常报文，否则认为是报文异常，断开连接。
（3）接下来4个字节表示命令号command，不同的命令号对应不同的变长包体；（4）最后4个字节表示包体长度length，以确定变长包体有多少字节；
这是一个实际的二进制变长包体：
<code>message CUserLoginReq { optional string username = 1; optional string passwd = 2;}message CUserLoginResp { optional uint64 uid =1;}/<code>它使用的是Google的Protobuf协议，容易看到：
（1）请求报文传入的是用户名与密码；
（2）响应包返回的是用户的uid；
PB是很流行的二进制变长包体协议，其优点为：（1）通用，可以生成C++、Java、PHP等多语言代码；
（2）自带压缩功能；
（3）对二进制友好；
（4）在工业界已广泛应用；
流式XML协议流式XML似乎是文本协议的一个特例，亦可以单独作为一类。例如：xmpp就是典型的流式XML协议，下面是xmpp协议的一个典型报文：
<code><messageto>Wherefore art thou, Romeo?/<messageto>/<code>
从xml标签中大致可以判断这是一个romeo发给juliet的聊天消息。
XML协议有几个特点：（1）可读性好，扩展性好，这是XML的特性；（2）解析代价超高，需要进行dom树分析；
（3）有效数据传输率超低，有大量的标签；
（4）对二进制不友好 ，比如语音/视频等；
三、安全层协议设计
安全层协议设计，除了使用SSL，自行实现的话，常见的又有以下三种方案。
画外音：SSL秘钥管理是个问题。
固定密钥服务端和客户端约定好一个密钥，同时约定好一个加密算法（例如：AES），每次客户端发送报文前，就用约定好的算法，以及约定好的密钥加密再传输，服务端收到报文后，用约定好的算法，约定好的密钥再解密。
画外音：安全性低，安全性基于程序员的职业操守。
一人一密简单来说，就是一个人的密钥是固定的，但是每个人之间又不同。常见的实现方式是：
（1）固定加密算法；
（2）加密秘钥使用“用户的某一特殊属性”，比如用户uid、手机号、qq号、用户密码等；
一次一密即动态密钥，一Session一密钥的安全性更高，每次会话前协商密钥。密钥协商的过程要经过2次非对称密钥的随机生成，1次对称加密密钥的随机生成，具体详情这里不展开。
四、传输层协议设计可选的协议有TCP和UDP，现在基本都是使用TCP ，有了epoll等技术后，多连接就不是瓶颈了，单机几十万链接没什么问题。
本文转自“架构师之路”公众号，58沈剑提供。
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