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❀Linux自定义应用层协议

📒1. 封装 Socket
📜2. 自定义应用层协议
- 🌞应用层
- ⭐自定义协议 --- TCP
📚3. 网络版计算器
📖4. 总结

前言：应用层协议，作为网络通信架构中的最高层，直接与用户应用交互，负责数据的格式化和传输控制。通过自定义应用层协议，开发者可以实现特定业务需求，提高数据传输效率，增强系统的安全性和可扩展性。

本文旨在为广大Linux开发者提供一份关于自定义应用层协议的全面学习指南。我们将从协议设计的基本原理出发，深入探讨Linux系统下的网络通信机制，详细解析自定义协议的实现步骤和调试技巧，并分享一些实际案例和最佳实践。

📒1. 封装 Socket

首先，在自定义应用层协议前，我们先来封装一下 Socket 来简化网络通信的复杂性，并且我们可以提供更强的可维护性和可扩展性，以便更容易管理和使用网络连接的编程技术。在套接字编程TCP中，我们固定的步骤是：创建，连接，监听。我们可以先确定基类Socket

基类：Socket

const int backlog = 3;class Socket
{
public:~Socket(){}// 创建virtual void CreateSocketOrDie() = 0;// 连接virtual void BindSocketOrDie(uint16_t port) = 0;// 监听virtual void ListenSocketOrDie(int backlog) = 0;// acceptvirtual Socket *AcceptConnection(std::string *peerip, uint16_t *peerport) = 0;// connect服务virtual bool ConnectServer(std::string &serverip, uint16_t serverport) = 0;// 获取文件描述符virtual int GetSocket() = 0;// 创建文件描述符virtual void SetSocket(int sockfd) = 0;// 关闭文件描述符virtual void CloseSocket() = 0;// 接收，发送信息virtual bool Recv(std::string *buffer, int size) = 0;virtual void Send(std::string &send_str) = 0;public:void BuildListenSocketMethod(uint16_t port, int backlog){CreateSocketOrDie();BindSocketOrDie(port);ListenSocketOrDie(backlog);}bool BuildConnectSocketMethod(std::string &serverip, uint16_t serverport){CreateSocketOrDie();return ConnectServer(serverip, serverport);}void BuildNOrmalSocketMethod(int sockfd){SetSocket(sockfd);}
};

子类：TcpSocket

const static int defaultsockfd = -1; // 定义一个缺省值
#define Convert(addrptr) ((struct sockaddr *)(addrptr)) // 定义宏用于强制类型转换
// 错误码
enum
{SocketError = 1,BindError,ListenError,   
};class TcpSocket : public Socket
{
public:// 构造与析构 TcpSocket(int sockfd = defaultsockfd): _sockfd(sockfd){}~TcpSocket(){} // 调用套接字接口进行封装// socketvoid CreateSocketOrDie() override{_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_sockfd < 0) exit(SocketError);}// bindvoid BindSocketOrDie(uint16_t port) override{struct sockaddr_in local;memset(&local, 0, sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;local.sin_port = htons(port);int n = ::bind(_sockfd, Convert(&local), sizeof(local));if (n < 0) exit(BindError);}// listenvoid ListenSocketOrDie(int backlog) override{int n = listen(_sockfd, backlog);if (n < 0) exit(ListenError);}// acceptSocket *AcceptConnection(std::string *peerip, uint16_t *peerport) override{struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof(peer);int newsockfd = ::accept(_sockfd, Convert(&peer), &len);if (newsockfd < 0) return nullptr;*peerport = ntohs(peer.sin_port);*peerip = inet_ntoa(peer.sin_addr);Socket *s = new TcpSocket(newsockfd);return s;}// connectbool ConnectServer(std::string &serverip, uint16_t serverport) override{struct sockaddr_in server;memset(&server, 0, sizeof(server));server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(serverport);server.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverip.c_str());int n = ::connect(_sockfd, Convert(&server), sizeof(server));if (n == 0) return true;else return false;}int GetSocket() override{return _sockfd;}void SetSocket(int sockfd) override{_sockfd = sockfd;}void CloseSocket() override{if (_sockfd > defaultsockfd)::close(_sockfd);}// recvbool Recv(std::string *buffer, int size) override{char inbuffer[size];ssize_t n = recv(_sockfd, inbuffer, size-1, 0);if(n > 0){inuffer[n] = 0;*buffer += inbuffer;return true;}else if(n < 0) return false;else return false;}// sendvoid Send(std::string &send_str) override{send(_sockfd, send_str.c_str(), send_str.size(), 0);}private:int _sockfd;
};

在封装Socket都是我们之前学习常见的方式，我们熟悉之后，就可以很轻松的的使用了。我们可以用前面的知识，建立一个服务端，用户端进行连接访问

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📜2. 自定义应用层协议

🌞应用层

Linux网络应用层是网络通信架构中的关键组成部分，它直接与用户应用交互，并负责数据的格式化和传输控制。

在应用层，数据通常以结构化的形式存在，在传输之前，这些数据需要被 序列化 成字符串形式，以便在网络中传输。接收方在收到数据后，再进行 反序列化 操作，将数据还原为原始的结构化形式。

⭐自定义协议 — TCP

协议设计：根据业务需求设计协议的数据格式、传输方式和控制信息。确保协议具有足够的灵活性和可扩展性。
协议实现：使用编程语言（如C、C++、Python等）实现协议的数据封装、解析和传输功能。通常需要使用套接字编程接口来与底层网络通信机制进行交互。
协议结构

协议头：通常包含版本号和协议长度等信息。我们这里简单实现一下，所以用的是协议长度
协议体：包含实际传输的数据。

序列化和反序列化

序列化：将计算机语言中的内存对象转换为网络字节流的过程。
反序列化：将网络字节流转换为计算机语言中的内存对象的过程。

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我们今天自定义应用层协议是针对网络版计算器而言的，所以我们依据 “先描述，再组织”，先构建两个结构体来描述输入(Request) 和 输出(Response) 以及 工厂(Factory) 来快速构建输入输出

输入(Request)：

const std::string ProtSep = " ";
const std::string LineBreakSep = "\n";class Request
{
public:Request() : _data_x(0), _data_y(0), _oper(0){}Request(int x, int y, char op) : _data_x(x), _data_y(y), _oper(op){}// 结构化数据 -> 字符串bool Serialize(std::string *out){*out = std::to_string(_data_x) + ProtSep + _oper + ProtSep + std::to_string(_data_y);return true;}// 字符串 -> 结构化数据bool Deserialize(std::string &in) // "x op y"{auto left = in.find(ProtSep);if (left == std::string::npos)return false;auto right = in.rfind(ProtSep);if (right == std::string::npos)return false;_data_x = std::stoi(in.substr(0, left));_data_y = std::stoi(in.substr(right + ProtSep.size()));std::string oper = in.substr(left + ProtSep.size(), right - (left + ProtSep.size()));if (oper.size() != 1) return false;_oper = oper[0];return true;}int GetX() { return _data_x; }int GetY() { return _data_y; }char GetOper() { return _oper; }private:// _data_x _oper _data_y// 报文的自描述字段// "len\nx op y\n" : \n不属于报文的一部分, 约定int _data_x; // 第一个参数int _data_y; // 第二个参数char _oper;  // + - * / %
};

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输出(Response)：

class Response
{
public:Response() : _result(0), _code(0){}Response(int result, int code): _result(result), _code(code){}// 结构化数据 -> 字符串bool Serialize(std::string *out){*out = std::to_string(_result) + ProtSep + std::to_string(_code);return true;}bool Deserialize(std::string &in) // "_result _code"{auto pos = in.find(ProtSep);if (pos == std::string::npos)return false;_result = std::stoi(in.substr(0, pos));_code = std::stoi(in.substr(pos + ProtSep.size()));return true;}void SetResult(int result) { _result = result; }void SetCode(int code) { _code = code; }int GetResule() { return _result; }int GetCode() { return _code; }private:int _result; // 运算结果int _code;   // 运算状态
};

工厂(Factory)：

class Factory
{
public:std::shared_ptr<Request> BuildRequest(){std::shared_ptr<Request> req = std::make_shared<Request>();return req;}std::shared_ptr<Request> BuildRequest(int x, int y, char op){std::shared_ptr<Request> req = std::make_shared<Request>(x, y, op);return req;}std::shared_ptr<Response> BuildResponse(){std::shared_ptr<Response> resp = std::make_shared<Response>();return resp;}std::shared_ptr<Response> BuildResponse(int result, int code){std::shared_ptr<Response> resp = std::make_shared<Response>(result, code);return resp;}
};

在解决完协议主要的步骤后，我们需要解决协议结构，报头 + 报文，因此我们需要让它们变成我们想要的样子，在Protocol.hpp中封装两个解决协议结构的函数

给报文加一个内容长度的报头：

// "len\nx op y\n" : \n不属于报文的一部分, 约定
// 给报文加一个内容长度的报头
std::string Encode(const std::string &message)
{std::string len = std::to_string(message.size());std::string package = len + LineBreakSep + message + LineBreakSep;return package;
}

无法保证package就是一个完整独立的报文：
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bool Decode(std::string &package, std::string *message)
{// 判断报文的完整性auto pos = package.find(LineBreakSep);if (pos == std::string::npos)return false;std::string lens = package.substr(0, pos);int messagelen = std::stoi(lens);int total = lens.size() + messagelen + 2 * LineBreakSep.size();if (package.size() < total)return false;// 至少package中有一个完整的报文*message = package.substr(pos + LineBreakSep.size(), messagelen);package.erase(0, total);return true;
}

📚3. 网络版计算器

Calculate：

enum{Success = 0,DivZeroErr,ModZeroErr,UnKnowOper,
};class Calculate
{
public:Calculate(){}std::shared_ptr<Protocol::Response> Cal(std::shared_ptr<Protocol::Request> req){std::shared_ptr<Protocol::Response> resp = factory.BuildResponse();resp->SetCode(Success);switch(req->GetOper()){case '+':resp->SetResult(req->GetX() + req->GetY());break;case '-':resp->SetResult(req->GetX() - req->GetY());break;case '*':resp->SetResult(req->GetX() * req->GetY());break;case '/':{if(req->GetY() == 0){resp->SetCode(DivZeroErr);}else{resp->SetResult(req->GetX() / req->GetY());}}break;case '%':{if(req->GetY() == 0){resp->SetCode(ModZeroErr);}else{resp->SetResult(req->GetX() % req->GetY());}}break;default:resp->SetCode(UnKnowOper);break;}return resp;}~Calculate(){}
private:Protocol::Factory factory;
};