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【C++网络编程】第8篇：协议设计与序列化（Protobuf、FlatBuffers）

article 2025/3/31 9:27:42

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跨平台C++包管理利器vcpkg完全指南

一、为什么需要自定义协议？

1. 常见问题

粘包/半包：TCP是流式协议，数据可能被拆分成多个包或合并。
数据校验：传输过程中可能发生比特错误或篡改。
跨平台兼容性：不同系统对数据类型（如整型字节序）的处理不同。

2. 解决方案

定长消息：每个消息固定长度（简单但不够灵活）。
分隔符：用特殊字符（如\r\n）分割消息（需转义处理）。
长度前缀：在消息头声明数据长度（推荐方案）。

二、设计二进制协议（自定义）

1. 协议格式示例

| 魔数（4B） | 版本（1B） | 类型（1B） | 长度（4B） | 数据（N B） | CRC32（4B） |

字段说明：

魔数：固定值（如0xDEADBEEF），用于识别协议起始。
版本：协议版本号，支持向后兼容。
类型：消息类型（如请求、响应、心跳）。
长度：数据部分的字节数。
数据：有效载荷（如序列化的JSON或二进制数据）。
CRC32：校验和，验证数据完整性。

2. C++示例

#include <cstdint>
#include <vector>
#include <cstring>
#include <zlib.h>
#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <winsock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

// 平台字节序处理（示例为小端模式）
#if defined(_MSC_VER)
#  define htonl(x) _byteswap_ulong(x)
#elif defined(__GNUC__)
#  define htonl(x) __builtin_bswap32(x)
#endif

// 严格内存对齐的协议头
#pragma pack(push, 1)
struct PacketHeader {
   
    uint32_t magic;    // 固定魔数 0xDEADBEEF
    uint8_t  version;  // 协议版本
    uint8_t  type;     // 数据类型标识
    uint32_t length;   // 载荷长度（网络字节序）

    PacketHeader(uint8_t t = 1, uint32_t len = 0)
        : magic(htonl(0xDEADBEEF)),  // 存储为网络字节序
        version(1),
        type(t),
        length(htonl(len)) {
   }
};
#pragma pack(pop)

// 编码函数：生成带校验的数据包
std::vector<uint8_t> EncodePacket(uint8_t type, const std::vector<uint8_t>& payload) {
   
    if (payload.size() > 0xFFFFFFFF) {
   
        throw std::invalid_argument("Payload too large");
    }

    // 构造协议头
    PacketHeader header(type, static_cast<uint32_t>(payload.size()));

    // 计算CRC32（头+载荷）
    std::vector<uint8_t> tempBuffer;
    tempBuffer.reserve(sizeof(header) + payload.size());
    tempBuffer.insert(tempBuffer.end(),
        reinterpret_cast<uint8_t*>(&header),
        reinterpret_cast<uint8_t*>(&header) + sizeof(header));
    tempBuffer.insert(tempBuffer.end(), payload.begin(), payload.end());

    uLong crc = crc32(0L, Z_NULL, 0);
    crc = crc32(crc, tempBuffer.data(), tempBuffer.size());
    uint32_t netCrc = htonl(crc);  // CRC也转为网络字节序

    // 组装完整包
    std::vector<uint8_t> packet;
    packet.insert(packet.end(), tempBuffer.begin(), tempBuffer.end());
    packet.insert(packet.end(),
        reinterpret_cast<uint8_t*>(&netCrc),
        reinterpret_cast<uint8_t*>(&netCrc) + sizeof(netCrc));

    return packet;
}

// 解码函数：验证并提取数据
bool DecodePacket(const std::vector<uint8_t>& packet,
    uint8_t& type,
    std::vector<uint8_t>& payload) {
   
    // 基础长度检查
    const size_t minSize = sizeof(PacketHeader) + sizeof(uint32_t);
    if (packet.size() < minSize) return false;

    // 解析协议头
    PacketHeader header;
    memcpy(&header, packet.data(), sizeof(header));
    header.magic = ntohl(header.magic);    // 转换为主机字节序
    header.length = ntohl(header.length);

    // 魔数和版本校验
    if (header.magic != 0xDEADBEEF || header.version != 1) {
   
        return false;
    }

    // 载荷长度校验
    const size_t expectedSize = sizeof(header) + header.length + sizeof(uint32_t);
    if (packet.size() != expectedSize) {
   
        return false;
    }

    // 提取CRC并转换字节序