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[導(dǎo)讀]嵌入式開(kāi)發(fā)中,常常會(huì)自定義一些協(xié)議格式,比如用于板與板之間的通信、客戶(hù)端與服務(wù)端之間的通信等。自定義的協(xié)議格式可能有很多種,本篇文章我們來(lái)介紹一種很常用、實(shí)用、且靈活性很高的協(xié)議格式——ITLV格式。

嵌入式開(kāi)發(fā)中,常常會(huì)自定義一些協(xié)議格式,比如用于板與板之間的通信、客戶(hù)端與服務(wù)端之間的通信等。

自定義的協(xié)議格式可能有很多種,本篇文章我們來(lái)介紹一種很常用、實(shí)用、且靈活性很高的協(xié)議格式——ITLV格式。

什么是ITLV格式?

大家可能看到網(wǎng)絡(luò)上的很多文章用的是TLV(Tag、Length、Value)格式數(shù)據(jù)。實(shí)際中,可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行修改。我們這里稍微改一下,實(shí)際上也是大同小異的。

我們這里的ITLV各字段的含義:

  • I:ID或Index,用于區(qū)分是什么數(shù)據(jù)。
  • T:Type,代表數(shù)據(jù)類(lèi)型,如int、float等。
  • L:Length,表示數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度(Value的長(zhǎng)度)。
  • V:Value,表示實(shí)際的數(shù)據(jù)。

其中,I、T、L是固定長(zhǎng)度的,在制定具體的數(shù)據(jù)協(xié)議之前,需要評(píng)估好當(dāng)前項(xiàng)目的數(shù)據(jù)會(huì)有多少、數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度是多少,考慮好后續(xù)數(shù)據(jù)擴(kuò)展也可以保證協(xié)議通用。一般I設(shè)置為1~2字節(jié),T設(shè)置為1字節(jié),L設(shè)置為1~4字節(jié)。

下面我們制定一個(gè)格式:

實(shí)際中,如果在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸,我們用戶(hù)自定義的協(xié)議字段可能就只包含如上四個(gè)字段就可以了。比如我們公司的云平臺(tái)上的用戶(hù)數(shù)據(jù)格式用的就是類(lèi)似ITLV這樣的格式。用戶(hù)在制定協(xié)議時(shí)的協(xié)議字段包含如上字段就可以了。

沒(méi)有包頭做一些數(shù)據(jù)區(qū)分,也沒(méi)有校驗(yàn)字段,只包含如上字段就能保證數(shù)據(jù)可靠傳輸嗎?

因?yàn)槎嗽仆ㄐ挪捎肕QTT,基于TCP,TCP的特點(diǎn)就是可靠的,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中會(huì)帶有校驗(yàn)。并且,實(shí)際在傳輸用戶(hù)數(shù)據(jù)時(shí),還會(huì)再用戶(hù)數(shù)據(jù)之前增加一些字段區(qū)分這就是用戶(hù)數(shù)據(jù)。所以,其實(shí)基于它的設(shè)備SDK來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā),操作的數(shù)據(jù)就是如上的數(shù)據(jù)。

但是,如果應(yīng)用于板與板之間的通信,只包含如上字段自然是有風(fēng)險(xiǎn)的。我們至少還需要還要包頭、校驗(yàn)字段。

實(shí)際中根據(jù)需要還可以增加其它字段,比如如果需要分包發(fā)送,還需要增加包號(hào);如果多塊板之間進(jìn)行通信,還需要增加發(fā)送數(shù)據(jù)目標(biāo)地址等。

這里我們?cè)黾影^與校驗(yàn)字段:

其中:

(1)Head固定為0x55、0xAA。

(2)Length為1字節(jié),即Value最大為256B。

ITLV格式數(shù)據(jù)處理

下面以例子來(lái)演示ITLV格式數(shù)據(jù)的處理。

下面我們以上面我們制定的協(xié)議編寫(xiě)A板的組包、解析代碼。

1、設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

首先,我們創(chuàng)建一個(gè)協(xié)議格式結(jié)構(gòu)體:

#pragma pack(1)  // 協(xié)議格式 typedef struct _protocol_format { uint16_t head; uint8_t id; uint8_t type; uint8_t length; uint8_t value[];
}protocol_format_t;

type字段的取值:

// TLV 數(shù)據(jù)類(lèi)型type typedef enum _tlv_type
{
    TLV_TYPE_UINT8,
    TLV_TYPE_INT8,
    TLV_TYPE_UINT16,
    TLV_TYPE_INT16,
    TLV_TYPE_UINT32,
    TLV_TYPE_INT32,
    TLV_TYPE_STRING,
    TLV_TYPE_FLOAT,
    TLV_TYPE_BYTE_ARR, // 字節(jié)數(shù)組 }tlv_type_e;

下面設(shè)計(jì)我們的收、發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),大致思路如下:

我們創(chuàng)建一個(gè)總的結(jié)構(gòu)體,用于管理A板往B板發(fā)送及A板接受來(lái)自B板的數(shù)據(jù):

// 總的協(xié)議數(shù)據(jù) typedef struct _protocol_data { protocol_id_e id; protocol_value_t value;
}protocol_data_t;

其中,成員id是一個(gè)枚舉:

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// 數(shù)據(jù)ID typedef enum _protocol_id
{ // A板發(fā)往B板 PROTOCOL_ID_A_TO_B_BASE = 0x00,
    PROTOCOL_ID_A_TO_B_CTRL_CMD,
    PROTOCOL_ID_A_TO_B_DATE_TIME,
    PROTOCOL_ID_A_TO_B_END = 0x7F, // B板發(fā)往A板 PROTOCOL_ID_B_TO_A_BASE = 0x80,
    PROTOCOL_ID_B_TO_A_WORK_STATUS,
    PROTOCOL_ID_B_TO_A_END = 0xFF,
}protocol_id_e;

包含著A->B、B->A的ID,因?yàn)镮D是用1個(gè)字節(jié)標(biāo)識(shí),收、發(fā)的ID各預(yù)留一半,新增的ID在各自的BASE ID及END ID之間添加。

成員value是一個(gè)聯(lián)合體,用于管理A->B、B->A的value數(shù)據(jù):

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// 所有協(xié)議數(shù)據(jù)value值 typedef union _protocol_value
{ protocol_value_a_to_b_t a_to_b_value; protocol_value_b_to_a_t b_to_a_value;
}protocol_value_t;

a_to_b_value及b_to_a_value也是聯(lián)合體,用于管理更細(xì)分的數(shù)據(jù):

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// A板發(fā)往B板的數(shù)據(jù)value值 typedef union _protocol_value_a_to_b
{ protocol_data_ctrl_cmd_t ctrl_cmd; protocol_data_time_t date_time;
}protocol_value_a_to_b_t; // B板發(fā)往A板的數(shù)據(jù)value值 typedef union _protocol_value_b_to_a
{ protocol_data_work_status_t work_status;
}protocol_value_b_to_a_t;

更細(xì)分的數(shù)據(jù):

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// 控制命令 typedef enum _ctrl_cmd
{
    CTRL_CMD_LED_ON,
    CTRL_CMD_LED_OFF
}ctrl_cmd_e; typedef struct _protocol_data_ctrl_cmd { ctrl_cmd_e cmd;
}protocol_data_ctrl_cmd_t; // 時(shí)間數(shù)據(jù) typedef struct _protocol_data_time { int year; int mon; int mday; int hour; int min; int sec;
}protocol_data_time_t; // 工作狀態(tài) typedef enum _work_status
{
    WORK_STATUS_NORMAL,
    WORK_STATUS_ERROR
}work_status_e; typedef struct _protocol_data_work_status { work_status_e status;
}protocol_data_work_status_t;

明確了我們需要進(jìn)行交互的數(shù)據(jù)的類(lèi)型之后,解析來(lái)我們就可以根據(jù)它們的特點(diǎn)來(lái)編寫(xiě)組包、解析函數(shù)了。

2、組包

大致思路如下:

組包函數(shù):

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int protocol_data_packet(uint8_t *buf, uint16_t len, protocol_data_t *protocol_data) { int ret = -1; int value_len = 0; int offset = 0; protocol_format_t *p_protocol_format = NULL; if (!buf || !protocol_data || len < PROTOCOL_MIN_LEN) { printf("Invalid input argument!\n"); return ret;
    } // 通過(guò)ID來(lái)獲取value的長(zhǎng)度 switch (protocol_data->id)
    { case PROTOCOL_ID_A_TO_B_CTRL_CMD:
        { printf("PROTOCOL_ID_A_TO_B_CTRL_CMD\n");
            value_len = sizeof(protocol_data->value.a_to_b_value.ctrl_cmd); printf("protocol_format.length = %d\n", value_len); break;
        } case PROTOCOL_ID_A_TO_B_DATE_TIME:
        { printf("PROTOCOL_ID_A_TO_B_DATE_TIME\n");
            value_len = sizeof(protocol_data->value.a_to_b_value.date_time); printf("value_len = %d\n", value_len); break;
        } default: break;
    } // 為協(xié)議格式數(shù)據(jù)申請(qǐng)內(nèi)存 p_protocol_format = (protocol_format_t *)malloc(sizeof(protocol_format_t) + value_len); if (NULL == p_protocol_format)
    { printf("malloc error\n"); return ret;
    } // 填充協(xié)議數(shù)據(jù)各字段 p_protocol_format->head = PROTOCOL_HEAD;
    p_protocol_format->id = protocol_data->id;
    p_protocol_format->type = TLV_TYPE_BYTE_ARR;
    p_protocol_format->length = value_len; if (p_protocol_format->length <= PROTOCOL_VALUE_MAX_LEN) { memcpy(p_protocol_format->value, &protocol_data->value.a_to_b_value, p_protocol_format->length);
    } else { printf("protocol_format.length > PROTOCOL_VALUE_MAX_LEN\n");
    } // 計(jì)算校驗(yàn)值 uint32_t crc_data_len = sizeof(protocol_format_t) + value_len; uint16_t crc16 = crc16_x25_check((uint8_t*)p_protocol_format, crc_data_len); printf("crc16 = %#x\n", crc16); // struct -> buf memcpy(buf, p_protocol_format, crc_data_len);
    offset += crc_data_len; memcpy(buf + offset, &crc16, sizeof(uint16_t));
    offset += sizeof(uint16_t); // 釋放內(nèi)存 free(p_protocol_format);
    p_protocol_format = NULL; return offset;
}

3、解包

大致思路如下:

解包函數(shù):

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// 解包函數(shù) void protocol_data_parse(protocol_data_t *protocol_data, uint8_t *buf, uint16_t len) { protocol_format_t *p_protocol_format = NULL; if (!buf || !protocol_data || len < PROTOCOL_MIN_LEN) { printf("Invalid input argument!\n"); return;
    } // 為協(xié)議格式數(shù)據(jù)申請(qǐng)內(nèi)存 int value_len = buf[PROTOCOL_LENGTH_INDEX];
    p_protocol_format = (protocol_format_t *)malloc(sizeof(protocol_format_t) + value_len); if (NULL == p_protocol_format)
    { printf("malloc p_protocol_format error\n"); return;
    } // buf -> struct memcpy(p_protocol_format, buf, sizeof(protocol_format_t) + value_len); printf("protocol_data->id = %#x\n", p_protocol_format->id); // 通過(guò)數(shù)據(jù)ID來(lái)解析各對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù) switch (p_protocol_format->id)
    { case PROTOCOL_ID_B_TO_A_WORK_STATUS:
        { printf("PROTOCOL_ID_B_TO_A_WORK_STATUS\n"); uint8_t work_status_len = sizeof(protocol_data->value.b_to_a_value.work_status); if (p_protocol_format->length == work_status_len)
            { memcpy(&protocol_data->value.b_to_a_value.work_status, p_protocol_format->value, p_protocol_format->length);
            } else { printf("p_protocol_format->length error\n");
            } break;
        } default: break;
    } // 釋放內(nèi)存 free(p_protocol_format);
    p_protocol_format = NULL;
}

4、CRC16校驗(yàn)

CRC16分很多種:CRC16-X25、CRC16-MODBUS、CRC16-XMODEM等。

這里我們使用CRC16-X25:

static const unsigned short crc16_table[256] = 
{ 0x0000, 0x1189, 0x2312, 0x329b, 0x4624, 0x57ad, 0x6536, 0x74bf, 0x8c48, 0x9dc1, 0xaf5a, 0xbed3, 0xca6c, 0xdbe5, 0xe97e, 0xf8f7, 0x1081, 0x0108, 0x3393, 0x221a, 0x56a5, 0x472c, 0x75b7, 0x643e, 0x9cc9, 0x8d40, 0xbfdb, 0xae52, 0xdaed, 0xcb64, 0xf9ff, 0xe876, 0x2102, 0x308b, 0x0210, 0x1399, 0x6726, 0x76af, 0x4434, 0x55bd, 0xad4a, 0xbcc3, 0x8e58, 0x9fd1, 0xeb6e, 0xfae7, 0xc87c, 0xd9f5, 0x3183, 0x200a, 0x1291, 0x0318, 0x77a7, 0x662e, 0x54b5, 0x453c, 0xbdcb, 0xac42, 0x9ed9, 0x8f50, 0xfbef, 0xea66, 0xd8fd, 0xc974, 0x4204, 0x538d, 0x6116, 0x709f, 0x0420, 0x15a9, 0x2732, 0x36bb, 0xce4c, 0xdfc5, 0xed5e, 0xfcd7, 0x8868, 0x99e1, 0xab7a, 0xbaf3, 0x5285, 0x430c, 0x7197, 0x601e, 0x14a1, 0x0528, 0x37b3, 0x263a, 0xdecd, 0xcf44, 0xfddf, 0xec56, 0x98e9, 0x8960, 0xbbfb, 0xaa72, 0x6306, 0x728f, 0x4014, 0x519d, 0x2522, 0x34ab, 0x0630, 0x17b9, 0xef4e, 0xfec7, 0xcc5c, 0xddd5, 0xa96a, 0xb8e3, 0x8a78, 0x9bf1, 0x7387, 0x620e, 0x5095, 0x411c, 0x35a3, 0x242a, 0x16b1, 0x0738, 0xffcf, 0xee46, 0xdcdd, 0xcd54, 0xb9eb, 0xa862, 0x9af9, 0x8b70, 0x8408, 0x9581, 0xa71a, 0xb693, 0xc22c, 0xd3a5, 0xe13e, 0xf0b7, 0x0840, 0x19c9, 0x2b52, 0x3adb, 0x4e64, 0x5fed, 0x6d76, 0x7cff, 0x9489, 0x8500, 0xb79b, 0xa612, 0xd2ad, 0xc324, 0xf1bf, 0xe036, 0x18c1, 0x0948, 0x3bd3, 0x2a5a, 0x5ee5, 0x4f6c, 0x7df7, 0x6c7e, 0xa50a, 0xb483, 0x8618, 0x9791, 0xe32e, 0xf2a7, 0xc03c, 0xd1b5, 0x2942, 0x38cb, 0x0a50, 0x1bd9, 0x6f66, 0x7eef, 0x4c74, 0x5dfd, 0xb58b, 0xa402, 0x9699, 0x8710, 0xf3af, 0xe226, 0xd0bd, 0xc134, 0x39c3, 0x284a, 0x1ad1, 0x0b58, 0x7fe7, 0x6e6e, 0x5cf5, 0x4d7c, 0xc60c, 0xd785, 0xe51e, 0xf497, 0x8028, 0x91a1, 0xa33a, 0xb2b3, 0x4a44, 0x5bcd, 0x6956, 0x78df, 0x0c60, 0x1de9, 0x2f72, 0x3efb, 0xd68d, 0xc704, 0xf59f, 0xe416, 0x90a9, 0x8120, 0xb3bb, 0xa232, 0x5ac5, 0x4b4c, 0x79d7, 0x685e, 0x1ce1, 0x0d68, 0x3ff3, 0x2e7a, 0xe70e, 0xf687, 0xc41c, 0xd595, 0xa12a, 0xb0a3, 0x8238, 0x93b1, 0x6b46, 0x7acf, 0x4854, 0x59dd, 0x2d62, 0x3ceb, 0x0e70, 0x1ff9, 0xf78f, 0xe606, 0xd49d, 0xc514, 0xb1ab, 0xa022, 0x92b9, 0x8330, 0x7bc7, 0x6a4e, 0x58d5, 0x495c, 0x3de3, 0x2c6a, 0x1ef1, 0x0f78 }; uint16_t crc16_x25_check(uint8_t* data, uint32_t length) { unsigned short crc_reg = 0xFFFF; while (length--)
 {
  crc_reg = (crc_reg >> 8) ^ crc16_table[(crc_reg ^ *data++) & 0xff];
 } return (uint16_t)(~crc_reg) & 0xFFFF;
}

5、測(cè)試代碼

下面我們編寫(xiě)組包、解包測(cè)試代碼:

  • 組包控制命令數(shù)據(jù),并把組包之后的發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)打印出來(lái)。
  • 組包時(shí)間數(shù)據(jù),并把組包之后的發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)打印出來(lái)。
  • 從一個(gè)模擬的工作狀態(tài)接受緩沖區(qū)數(shù)據(jù)中解析工作狀態(tài)數(shù)據(jù)并打印出來(lái)。

測(cè)試代碼如:

左右滑動(dòng)查看全部代碼>>>

// 微信公眾號(hào):嵌入式大雜燴 #include   #include  #include "protocol_tlv.h" int main(int arc, char *argv[]) { static uint8_t send_buf[PROTOCOL_MAX_LEN] = {0}; protocol_data_t protocol_data_send = {0}; int send_len = 0; printf("\n==============================test packet===========================================\n"); // 模擬組包發(fā)送控制命令 bzero(send_buf, sizeof(send_buf));
    bzero(&protocol_data_send, sizeof(protocol_data_t));
    protocol_data_send.id = PROTOCOL_ID_A_TO_B_CTRL_CMD;
    protocol_data_send.value.a_to_b_value.ctrl_cmd.cmd = CTRL_CMD_LED_OFF;
    send_len = protocol_data_packet(send_buf, PROTOCOL_MAX_LEN, &protocol_data_send); printf("send ctrl data = ");
    print_hex_data_frame(send_buf, send_len); // 模擬組包發(fā)送時(shí)間數(shù)據(jù) bzero(send_buf, sizeof(send_buf));
    bzero(&protocol_data_send, sizeof(protocol_data_t));
    protocol_data_send.id = PROTOCOL_ID_A_TO_B_DATE_TIME;
    protocol_data_send.value.a_to_b_value.date_time.year = 2022;
    protocol_data_send.value.a_to_b_value.date_time.mon = 8;
    protocol_data_send.value.a_to_b_value.date_time.mday = 20;
    protocol_data_send.value.a_to_b_value.date_time.hour = 8;
    protocol_data_send.value.a_to_b_value.date_time.min = 8;
    protocol_data_send.value.a_to_b_value.date_time.sec = 8;
    send_len = protocol_data_packet(send_buf, PROTOCOL_MAX_LEN, &protocol_data_send); printf("send date_time data = ");
    print_hex_data_frame(send_buf, send_len); printf("\n==============================test parse===========================================\n"); // 模擬解析工作狀態(tài)數(shù)據(jù) uint8_t work_status_buf[11] = {0x55, 0xAA, 0x81, 0x08, 0x04, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0xf2, 0x88}; protocol_data_t protocol_data_recv = {0}; uint16_t calc_crc16 = crc16_x25_check(work_status_buf, sizeof(work_status_buf) - 2); uint16_t recv_crc16 = (uint16_t)(work_status_buf[10] << 8) | work_status_buf[9]; if (calc_crc16 == recv_crc16)
    {
        protocol_data_parse(&protocol_data_recv, work_status_buf, sizeof(work_status_buf)); printf("work_status = %d\n", protocol_data_recv.value.b_to_a_value.work_status.status);
    } return 0;
}

編譯、運(yùn)行:

對(duì)照著我們制定的協(xié)議,數(shù)據(jù)完全正確!

ITLV格式的其它用法

ITLV格式具有很強(qiáng)的靈活性,我們這里使用的數(shù)據(jù)類(lèi)型Type為字節(jié)數(shù)組,其實(shí)使用字符串類(lèi)型也很常用,比如為了協(xié)議具備更強(qiáng)的可讀性、方便調(diào)試,可以在Value字段里再封裝一層JSON格式數(shù)據(jù)。其實(shí)我覺(jué)得Type的選項(xiàng)只保留字節(jié)數(shù)組及字符串就夠用了,可以滿(mǎn)足所有情況。

當(dāng)然,可能有些數(shù)據(jù)長(zhǎng)度總是定長(zhǎng)的,也可以用其它定長(zhǎng)的類(lèi)型。比如數(shù)據(jù)都是一些定長(zhǎng)的類(lèi)型,那么L字段也可以省略掉。實(shí)際中,比較通用的做法就是:全用字節(jié)數(shù)組或者全用字符串。別混著用,代碼可能會(huì)很混亂。

代碼獲取

大家如果需要本篇文章的demo工程,也可以在本公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù)關(guān)鍵詞:ITLV協(xié)議格式 ,即可獲取。

以上本次的分享,期待你的三連支持!

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