第23讲 | 如何定制合适的开发协议？

Aug 2, 2018

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第23讲 | 如何定制合适的开发协议？

2018-08-02 蔡能来自北京

《从0开始学游戏开发》

课程介绍

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讲述：蔡能

时长08:49大小4.04M

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什么是开发协议？说得简单一点，就是一种客户端和服务器端的网络沟通协议（Protocol）。
广义上说，协议是计算机各种设备之间沟通的桥梁。比如网络之间需要协议，ping 一个网站是否通顺也需要协议，广播地址也需要协议。我们甚至可以说键盘鼠标操作事件也需要协议，Dubbo 架构也需要协议沟通等等。
从狭义上说，协议指的就是网络协议。比如在网络游戏中，客户端和服务器端之间的内容交互，就需要网络协议；在 Web 网站中，前端和后端的交互，也需要协议；再比如，邮件服务的网络交互也需要协议的交互等等。可以说，任何与网络相关的服务都少不了协议的支撑。
在游戏开发中，我们可以自定义一套自己的开发协议，也可以把现成的开发协议拿来使用。具体怎么做呢？我们先来看现在网上用得比较多的几种协议。
三种最流行的开发协议XMLXML 几乎是网络上最早出现的传输协议之一。在最早的 Web 开发中，XML 可以作为网络协议，也可以用作配置文件。比如某些游戏或者某些应用的配置文件，都可以使用 XML 来编写。
从人类的角度讲，它的可读性比较强，解析也比较方便。我们先来看几种解析方式。
解析方式是这些协议被程序理解的一种方式，按照这种方式解析，和我后面要说的自定义协议的解析和剖析结合起来，乃前后呼应之奇效。
PULL 方式：PULL 解析是一种专门为安卓设备解析 XML 文件设计的解析方式。这种解析方式更适用于移动设备。PULL 解析和我们下面要说的 SAX 解析比较类似，不一样的地方是 PULL 读取 XML 文件后，触发相应的事件调用方法返回的是 number。另外，PULL 方式可以控制程序的解析停止位置，不需要全部解析，可以随时停止。
SAX 方式：SAX（Simple API for XML）采用事件驱动型方式。语法解析从发现元素开始、元素结束、文本、文档的开始或结束等，就开始事件的发送，程序员编写响应这些事件的代码，就可以直接将数据保存下来。所以优点是，不需要载入整个文档，资源占用比较少。
SAX 解析器的代码比 DOM 解析器的代码更精简，一般应用于 Applet 技术。缺点就是，这种解析方式并不持久，等事件消息过去后，如果你没有保存数据，那么数据就丢失了；从事件的消息中我们只能得到文本数据，但不知道这个文本属于哪个元素。但是，我们只需 XML 文档的少量内容就可以解析出我们所需的数据，所以耗费的内存更少。
DOM 方式：DOM（Document Object Model）是最传统的解析方式。解析器读入整个文档，然后在内容中构建一个 XML 的树结构，使用代码就可以操作这个树结构。优点是整个文档树在内存中，便于操作；而且支持删除、修改、重排等多种功能。缺点是将整个文档调入内存比较浪费计算机的时间和空间，但是如果一旦解析了文档，还需多次访问这些数据的话，这种方式就可以起到作用了。
JSON其实，目前 XML 已经不太流行，取而代之的是 JSON。JSON 是一种轻量级的数据交换格式。它用完全独立于编程语言的文本格式来存储和表示数据。
比之 XML，它看起来更加简洁和清晰，层次结构分明；JSON 易于阅读和编写，在程序方面，也易于机器解析和生成，同时也提升了网络传输效率。这些优点使得 JSON 很快在程序员中流行起来，成为理想的数据交换语言。
它也是移动端比较常见的网络传输协议。相对于前面所说的 XML 格式，它更为简单，体积更小，加之对网络流量和内存的需求更小，所以 JSON 比 XML 更适合移动端的使用。
我们来看一下 JSON 的几种流行的解析程序库。
Gson 是谷歌开源的一种解析方法，使用 Java 编写，你可以通过提供的 JAR 文件包，使用静态方法直接将 JSON 字符串解析成 Java 对象，这样使用起来简单方便。
FastJSON 是阿里开源的一个解析 JSON 数据的类库。
JSONObject 也是一个解析 JSON 字符串的 Java 类。第二、第三这两种用的人都比较少，我就不多介绍了。
当然，支持别的语言的库也有很多，由于 JSON 比较流行，所以各种语言都有其支持的类库版本，比如 Python、C++、Ruby 等等。
ProtoBufProtoBuf 全称 Google Protocol Buffer， 是谷歌公司开发的内部混合语言数据标准。目前正在使用的有接近五万种报文格式定义和超过一万两千多个.proto 文件。它们都用于 RPC 系统和持续数据存储的系统。
这是一种轻便、高效的结构化数据存储格式，可以用于结构化数据的序列化操作。它很适合用作数据存储或 RPC 数据交换格式。可以用于通讯协议、数据存储等领域。由于是独立的协议系统，所以它和开发语言、运行平台都没有关系，可以用在扩展的序列化结构数据格式。目前提供了 C++、Java、Python 、Ruby、Go 等语言的开发接口 API。
ProtoBuf 方便的地方在于，它有一款编译器可以将.proto 后缀的协议文件，编译成 C++、Java、Python 等语言的源代码。你可以直接看到和利用这些源代码，且不需要自己去做解析，所以不同语言之间使用 ProtoBuf 的协议规范都是一样的，但是有一个问题是，ProtoBuf 存储的文件格式是二进制的，由于是二进制的，所以程序员需要调试其保存的内容就有点麻烦，当然这可能只是对于某些人来说的瑕疵吧，对于大部分人来讲，方便性还是大于瑕疵的。
ProtoBuf 的编码风格是这样的，花括号的使用类似 C/C++、Java。数据类型的命名方式使用驼峰命名，比如 DataType、NewObject。字段的变量小写并使用下划线连接，类似 GNU 规范，比如 proto_buf、user_name。枚举类型使用大写，并使用下划线连接，比如 MY_HOME，BEST_FRIEND。
Protobuf 并不是针对大型数据设计的，Protobuf 对于 1M 以下的 message 有很高的效率，但是当 message 大于 1M 的时候，Protobuf 的效率会逐步降低。
如何自己定义协议包？我们讲完了三种目前最流行的开发协议，接下来我们要讲讲如何自己定义协议包。
我们所说的协议包，是在 TCP 和 UDP 传输之上的协议包，也就是通过字符串的形式发送的协议包。这些协议包在客户端和服务器之间做了约定，也就是说，客户端和服务器都能通过拿到协议包来进行解包操作，并且进行一系列的逻辑运算并返回结果，当然结果也是协议包的形式发送出去。
一个好的协议不仅能节约网络带宽，也能让接收端快速拿到和解析需要的内容。设计协议包，必须保证安全性和完整性。
为了保证完整性，接收方需要知道协议的长度，或者知道协议的尾部在哪里。
我们可以给协议最末尾添加分隔符，该分隔符需要特殊字符。不能被传输的内容所混淆，又要能达到方便接收方辨认，因此，该特殊字符需要具有唯一性。比如我们可以将“!@#$”这四个字符做为分隔符，那么协议看起来可能是这样：
[协议头][协议体][协议结尾分隔符]
你可能要问了，在传输的过程中，我知道了协议长度，不需要协议头，只需要协议长度就可以？是的。因为有了协议长度，协议尾部有没有分隔符就不重要了。如果我们固定好输出协议长度的字节数，就可以忽略协议头。在这种情况下，协议看起来像是这样：
[协议长度2字节][协议体]
这样简单地就能定义整个协议的内容。
在读取的时候，我们只需要读取开头的两个字节，转换为一个 short 的长度，或者四个字节一个 int 的长度，在第三个字节开始就是协议体。让程序开始计算长度，如果长度少于协议长度所定义的长度，那就继续接收，如果接收长度超过协议所定义的长度，切割协议体，并将下一段开始的协议存储到内存中留待下一次取出。这种方式是最方便的。
我们在保证协议完整性的同时，也要保证协议不被破坏和篡改，也就是所说的安全性。在这种情况下，最直接的方式，就可以将协议内容进行加密。比如 SHA-256 或者 AES 等等加密方式将内容加密，随后传输过去，最简单的做法就是将密码在客户端和服务器端协商好就可以了。
看起来可能是这个样子：
[协议长度2字节][加密协议体]
小结这节内容差不多了，我们总结一下。我和你介绍了这几个内容。
我介绍了三种的开发协议 XML、JSON 和 ProtoBuf，以及它们对应的解析方式。XML 是网络上最早出现的传输协议之一。
游戏或应用的配置文件，都可以使用 XML 来编写，但是目前 XML 已经不太流行，取而代之的是 JSON。
ProtoBuf 适合用作数据存储或 RPC 数据交换格式，缺点是保存比较麻烦，但是总体来讲还是比较方便的。
自己定义协议包需要考虑完整性和安全性。接收方需要知道协议的长度，或者知道协议的尾部在哪里，就可以保证协议包的完整性。而最直接的给协议包加密，就可以保证安全性。
最后，给你留一个小问题吧。
在自定义协议中，如果使用添加协议结尾的方式来做协议，如何才能保证协议结尾分割字符串不和协议本身的二进制内容重复？
欢迎留言说出你的看法。我在下一节的挑战中等你！

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精选留言(4)

心态正常
2021-05-02
协议尾部采用固定的尾部字符加自增的序列号
以往
2018-09-11
请问老师怎么保证唯一性？用随机生成的字串替换“!@#$”可行吗
以往
2018-09-06
内容中出现“!@#$”时可以用\!\@\#\$这种形式来转义
作者回复: 也可以但并不能保证唯一性
以往
2018-09-03
当传输内容中出现结尾字符时，对其进行转义
作者回复: 说的简单了点

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