通信协议应如何设计才好？自定义进制帮你忙

一、背景

前段时间联系了一家纯软件开发公司做上位机系统开发，其中就包含跟下位机的无线组网控制。因为上下位机联动组网与纯逻辑上的组网不同，它通常对实时性有要求，所以制订高效的协议非常重要，甚至还需要一些特殊的控制逻辑。但是令我大跌眼镜的是，软件公司的项目负责人竟然以为，只有百度上能搜索的那些主流协议才是协议，自定义的协议不是协议，他软件上出现的各种问题，大多归过于一个自定义的协议。

我们知道，即使是那些主流的协议再完美，也未必适合我们的应用场景。更何况一些主流协议在完美性上，并不见得有突出性。

下面，我们就从一个常见的通信，向协议的方向开始说起。

例如：一个RS485总线网使用9600、n、8、1方式通信，使用主从应答式控制架构(如图1)。

我们粗估一下，按一个字节1起始位、1停止位、8数字位估算，串口传输一个字节需占10bit，这样一来，9600bps的满负荷传输的情况下，一秒钟也就能传输960个字节。如果n=16，每一秒钟，每次主从应答的最多传输字节数就是60字节。假如一次主从应答需要20字节，那么，一次问答的时间td=20/960=0.0208s，那么1s钟内这个网络正常运行的繁忙度Eb就是：33.3%，空闲度Ei就是：100%-Eb=66.7%(如图2)。

二、事实

显然，图2的描述不是真相。真相应该是一轮接一轮的信号传输(如图3)。

从图3中我们可以看出，关注繁忙度已经没有意义了，取而代之的应是一个网络通信周期，也就是每一个从节点相邻两次通信的时间间隔。示例中的通信周期tc就是0.333s，如果说成响应速率，那就是3次/s，或1次/0.333s。

然而，图3这是太理想了，也不能代替真相。因为这些节点在实际工作中很可能会出现异常情况(如图4)。

很显然，我们不能为此一直等下去。为了处理故障，我们得规定一个策略，我们可以规定一个等待超时机制。即当某个节点没有响应时，主机等待一会儿。这个一会儿是多大一会儿呢？我们定个上限tx，比如10倍的正常问答时间(td×10=0.208s)。

这样一来，问题显然就变得有点扑朔迷离了。因为谁也无法预知哪个节点什么时候会出现通信障碍，也就很难预知tc是多少，不过，tc的范围还是可以确定的，即td×n~tx×n。因此运行的状态，就会发生一些变化(如图5)。

当然，无论是图3或图5，网络的实际运行状态都是Eb≈100%，而当tc出现波动时，就会给网络的使用体验也跟着发生变化，严重时，还会出现卡顿现象。

实际使用时，慢可能对用户体验的伤害不一定是最大的，而那种时通时卡可能会让用户更加难以接受。因为慢得稳定，可能只是产品的档次问题，而一卡一顿的显然就是故障。

这种通信思想还有一个问题就是没有联线状态。这样一来，当某个从机出现故障时，主机无法预知其是否能够恢复而将其踢出扫描队列，它必须在每轮轮到时继续对其发命令，等待响应，直到超时。

显然这种通信思想很呆板，但是却因其简单易懂而极有市场。

三、变通

尽管省事使人快乐，但发展的绚烂总能吸引躁动的智商。

现在我们提出一个新需求：即使16个从机坏了15个，另外一个也能稳定工作。这是否能够做到呢？

答案是肯定的。

即，为每一个节点分配固定的使用时间tt，tt由必需时间tm与备用时间tn构成，通常情况下，tn=k×tm(k>2)。因此，tt=a×tm(a=k+1，常数)。在tt内，节点无论是正常还是异常，做什么处理，都不会改变tt的大小。然后，tc就固定成tt×n了(如图6)。

当然，如果按这样的方式通信，实践中还是行不通的，因为我们不能忽视了用户体验。比如，我们对其中某一个节点操作，或观察某一个节点的变化，得有连续性。如果每0.2s响应一下用户的干预，用户还能错觉为有即时性，但如果超过0.5s才能响应一下，我们就会明显感觉到迟滞。

因此，若要让一个网络控制具有即时感，就必须减少的tm值。

减少tm的值，有两个办法。其一是提高通信速度，以速度换取时间。比如，当无线对等节点通信(通信道)中，可用小忙闲比减少与解决通信碰撞(如图7)。

当然，提高通信速度，是需要付出代价的。而且有时候，在某个地方的一点点改变，还会引出一系列的连锁影响。所以这时候，我们更希望有一种付出的代价小，但是却收效明显的办法，这就是其二了：设计高效的通信协议。

四、高效通信协议设计

我们知道，一个通信协议通常要发送两种内容，即命令与数据。这是典型的数字技术形式，跟汇编指令相同。

而就通信而言，它并不管你当前传输的是命令还是数据，统统都只是一种数据，并且常常是以字节为单位。显然，这就要求我们必须在字节上做文章，设计一种约定，让字节既能表示数据，又能表示命令。这个约定就是我们要设计的协议，它是由一定数量的字节组成的一个数据集，也称为帧。

在宽松的情况下，设计协议可以用定长的。即用最长的数据集作为通用格式，这样每一条命令或数据帧都能使用这个通用格式表示。这样一帧通常有下列要素，每一个帧要素都由若干个字节组成(如图8)：

显然，这种定长协议容易造成帧数据浪费，因为常常会有很多指令并不需要太多字节。可不要小看一个帧里浪费几个字节的恶果，比如一个只需要5字节的命令被你套入一个10字节的通用格式里，你的帧通信速率就下降了一倍。

所以，设计高效的通信协议，唯一的途径就是减少数据帧的字节数，增加字节的涵义。

做过通信的人都知道，保证帧数据的正确性与可验证性是数据传输的基本责任。因此一些人在设计帧头的时候，为了让帧头显得独具一格，而使用一个多字节的组合，这显然是不可取的。

高效的数据帧要求每一个帧要素能用一个字节表示，决不能用两个字节，用两个字节表示的，尽量想办法改用一个字节表示，同时还要兼顾数据传输的正确性与可验证性。这看似很难做到，但是我们分析需求，一切皆有可能。

首先，我们研究一下字节。一个无符号字节，能表示0~255，共256，我们称这个数据范围为一个字节的表示空间。很显然一个字节的数据空间能表示256个数据。

其次，我们研究一下数据量。比如我们要以厘米为单位表示身高，身高的范围是10~200，很显然一个字节足以表达身高量。但是如果以毫米为单位，则身高的范围是100~2000，这显然就超出了一个字节的表达能力，因此必须就使用两个字节了。而两个字节的表示空间则是216，能表达62236个无符号整数，用来表示100~2000，这显然是太过奢侈，但似乎又别无选择。

第三，我们研究一下帧元素。

1) 帧头：作为一帧数据的唯一性标志，它对应的计算机数(二进制数)应该是唯一的。为了达到这个目标，有些协议选择了ASCII码的帧格式。因为ASCII有丰富的字符集，随便抽出一个非数字字母字符来表示帧头，就能与要传输的数据区分开来，例如‘*’，‘;’等，都可以作为帧头，也可以保证该字符在帧数据中的唯一性。但是这样做带来的副作用是，如果要表示数据100，则需要用‘1’、‘0’、‘0’三个字符，占3个字节，这显然就造成了大量浪费，这种浪费会随着数据量的增加而显著增大。有些协议为了不让数据表示浪费字节，就在帧头上下功夫，将帧头复杂化，使用二进制帧格式，从而大大降低帧头与数据重复概率。例如用AB、BC、CD三个字节组合称帧头。很显然3字节帧头比1字节帧头多用了2个字节。

2) 命令：这是网络控制的重要手段，因此，设计合理高效、组合力强的命令系统也非常重要。命令数量的多少，决定所需命令空间的大小，因此在设计命令时决不能大手大脚，随便定义。而且，在网络控制中，网络通信是处理速度最慢的环节，因此我们应多倾向于提升网络通信速度，牺牲MCU的处理速度(影响极小)，多用简单多义命令，让装帧、解析多花点时间，通信少花点时间。例如一个设备要对另一个设备写数据、设置参数，有临时设置参数、永久设置参数、写入状态数据、记录测量数据等不同的写操作，此时我们可以使用不同的命令来表达这些操作，也可以用一条写命令加上统一编址的方式来实现这些操作，这样做会大大减少指令数量，从而对减小指令空间有益，而至于两边的MCU如何switch..case，则完全可以忽略不计。

3) 校验：校验也通常是多字节的，但如果单字节能够胜任的话，当然是选择单字节。当然，字节越多，通常严谨性也越高，但是并不是我们一定要使用严谨性最高的方式就是最好。校验尽管很重要，但并不是必须的。例如你有一条命令协议，由帧头与命令两个字节组成，而在实际解析时，帧头与命令都时确定的，在解析时都会精确检查，如果帧头错或命令错，都会导致接收失败，这个时候你如果加个校验，就毫无意义。校验只适合那种非精确检查或无法精确检查的场合。

4) 帧尾：帧尾并不是必须的。但是帧头配帧尾看起来让帧显得严实。有帧尾可以明确通知接收方一个数据帧结束。但是在一些场合，帧尾存在的意义不大。一是定长帧，只要通过统计帧长度即可判断帧结束；另一是魔法师观点，为了提高多线程并行能力，降低某个线程一次执行过多占用MCU，在接收帧时边接收边预处理，能确定变长协议中的当前接收帧的确定长度。当然，有一种习惯是接收端接收帧的过程中只储存数据，不做任何其他处理，这时候靠帧尾标识帧结束就非常重要，但是一旦通信出错，无法收到一个帧的结束标志，就会导致一直等待，很容易造成错帧，如果帧缓冲区没有足够余量还容易造成溢出。当然，在情况不糟糕的情况下，如果帧头具有清晰的唯一性，还是能在下一帧被准确同步的，如果帧头可能与数据撞码，可能就只能靠超时机制去结束无法完整结束的帧了。

有了对协议帧的这些分析，现在我们要考虑协议的设计了。

首先，我们考虑核心的数据对空间的需求。我们还是以身高体重测量结果为传输内容为例。身高以毫米为单位，测值范围为0~2000，一个字节放不下，至少要两个字节的空间。体重以0.1公斤为单位，测值范围为5~2000，同身高一样，也需要两个字节。但是，很显然，我们用两个字节的空间表示身高体重十分浪费。因此，我们应该考虑将一个字节的空间一分为二，来提高字节空间的利用效率了。

接着，我们应考虑控制命令对空间的需求。简单地说，就是我们有多少条命令我们得规划清楚，规划不清楚的，我们得预留一定的扩充余地。对于身高体重测试仪的常用命令有测量、取消测量、读取成绩、设置参数、启动自检、读取设备信息、读取电量等，所以命令数量在10条左右。

根据这个需求，我们可以通过引入自定义进制，来将命令与数据，压缩在一个字节中表示。

人类传统的计数进制是十进制。

而计算机技术中流行的进制有二进制、八进制、十六进制，依此推广开来，我们在这里引入128进制。128是27，即占用7bit，表示数的范围是0~127，正好是一个字节空间的一半。这样一来，一个字节空间就被我们一分为二，一半用于数字，一半用于命令。这是个美好的设想，下面我们只需来验证一下这个设想的可行性即可。

首先，我们仍用两字节各7bit表示数字，则此时的两字节的数字空间为0~128×128-1，即0~16383。这个范围完全能容纳身高体重的测量值，所以这样做数字空间没有问题。

128进制使用7位二进制位，在装帧与解析时可以避免一些乘除运算，这样对于一些低端MCU可以减少运算上的额外负担。

其次，一个字节的另一半空间(128~255)用于表达命令，可以表达128种不同的命令，这对于我们网络控制身高体重测试仪仅需的10来个命令来说，具有充足的余地。

既然命令空间十分宽敞，我们甚至可以将帧头这种特殊的控制字符也认为是一种命令。这样帧头与命令同在一个空间，自然就可以保证帧头的唯一性特征。而当控制命令极少时，甚至可以将帧头与命令同用一个字节，此时只需用半字节帧头、半字节命令即可。

从上面的分析我们可以看出，128进制对我们这个例子有百利而无一害，因此我们就可以进行协议的着手设计。我们采用半字节帧头半字节命令方式，变长帧，帧分命令与应答两种。

〇、说明：

* 字节：

* 帧：

* 帧中数字均用十六进制表示

* F&C：帧头/命令。长度1B，高半字节为帧头(bit7=1)，低半字节为命令

* Addr：仪器地址，1~127，0为通用地址。长度1B，bit7=0

* P：参数。长度1B，bit7=0

* D：长度1B，单字节数据(bit7=0)/后续数据包长度(bit7=1，长度不计bit7)

* DiL：第i个数据低字节(i≥0)，长度1B，bit7=0

* DiH：第i个数据高字节，长度1B，bit7=0

* Chk：校验。Chk=(T0^T1^…Tn)&7F，长度1B，bit7=0

一、控制命令帧1：

F_C：A?

A1：开始测量

A2：测量停止/中止

A3：读取成绩

A4：读取型号

A5：读取电量

二、控制命令帧2：

F_C：A?

AA：设置地址，P为新地址

三、应答制命令帧1：

F_C：B? (0≤?≤9)

B0：OK、确定

B1：ERR、取消

四、应答命令帧2：

F_C：B? (A≤?≤F)

BA：返回数据

五、协议分析

上面的协议设计非常简练，但也考虑了可扩充性。如果考虑自定义扩充的话，几乎能适用于各种场合。

但是，简练既是优点，也是缺点。

因为信息简练，就造成了应错能力下降，但是换来的是通信速度的提升，特别是在一些网络容量大的无线通信场合。

上面的应答采用了不同的帧头，这样应答机制鲜明，不过这样会增加一点解析的复杂度。

如果在另外一些场合，出现了数据空间不够，我们在考虑指令空间够用的情况下，可以把进制数增加，以减少指令空间来增加数据空间。例如我们使用240进制。

240(F0)进制下，一个字节的数据空间为0~239，这样两个字节的数据空间便为0~57599，明显比0~16383这个范围大了数倍。

此时，F0~FF为命令空间，共有16个可用数，能胜任最多到16条指令的控制场合。当然，如果仅仅将指令空间的16个数作为特殊控制字符，用来标志帧头或帧尾，那么就可以通过增加一个字节的方式来定义更多的命令，此时的命令空间最大可以定义到0~255。

六、仪器端解析示例代码

#define RBLEN                8                // 定义接收缓冲区大小unsigned char RcvBuff[RBLEN];        // 接收缓冲区定义unsigned char RcvPtr = 0;                // 接收指针定义// 接收时，负责按照所定义的协议检查数据，对于无效数据直接丢弃// 若收到合法协议帧，则发出通知// 一帧数据接收完后必须在下一个数据到来之前处理完毕，否则会造成丢帧void USART1_IRQHandler(void){static unsigned char Csc = 0;static unsigned char Cmd = 0;if(USART1->SR&(1<<5)){unsigned char Rd=0;Rd=USART1->DR;if((Rd & 0xF0) == 0xA0)        // 帧头识别{        // 因为仪器只受控，所以只解析控制命令RcvPtr = 0;                // 无条件同步Csc = 0;Cmd = 0;}if(RcvPtr<4){RcvBuff[RcvPtr++] = Rd;        // 帧数据存入缓冲区Csc ^= Rd;                // 计算校验switch(RcvPtr){case 2:Cmd = Rd & 0x0F;break;case 3:if(Cmd>0 && Cmd<6)                // 合法命令{if((Csc&0x7F)==Rd)         // 校验{RcvPtr |= 0x80;                // bit7=1为一帧接收完毕标记}}break;case 4:if(Cmd==0x0A)                // 合法命令{if((Csc&0x7F)==Rd)         // 校验{RcvPtr |= 0x80;                // bit7=1为一帧接收完毕标记}}}}}if(USART1->SR&(1<<6))                                // 发送中断发生{USART1->SR &= ~(1<<6);                // 清除中断标记}}

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作者：yyy71cj
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