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帧过滤器

帧过滤器的作用就是,从接收到的buff中,过滤出有效的完整jtt808数据包。由于是tcp通讯,那么这其中不可避免的会涉及到数据包的两个常规处理:拆包和粘包。

拆包和粘包的简要说明:

假设客户端分别发送了两个数据包D1和D2给服务端,由于服务端一次读取到的字节数是不确定的,故可能存在以下4种情况。

(1)服务端分两次读取到了两个独立的数据包,分别是D1和D2,没有粘包和拆包;

(2)服务端一次接收到了两个数据包,D1和D2粘合在一起,被称为TCP粘包;

(3)服务端分两次读取到了两个数据包,第一次读取到了完整的D1包和D2包的部分内容,第二次读取到了D2包的剩余内容,这被称为TCP拆包;

(4)服务端分两次读取到了两个数据包,第一次读取到了D1包的部分内容D1_1,第二次读取到了D1包的剩余内容D1_2和D2包的整包。

如果此时服务端TCP接收滑窗非常小,而数据包D1和D2比较大,很有可能会发生第五种可能,即服务端分多次才能将D1和D2包接收完全,期间发生多次拆包。

拆包与粘包的说明网上资料很多,此处不做过多说明。但是我们设计出来的过滤器,要能够正常应对拆包和粘包的情况。

首先,我们根据jtt808协议定义我们的数据包结构:

type MultiField struct {
    MsgSum   uint16
    MsgIndex uint16
}

type Header struct {
    MID       uint16
    Attr      uint16
    Version   uint8
    PhoneNum  string
    SeqNum    uint16
    MutilFlag MultiField
}

type Message struct {
    HEADER Header
    BODY   []byte
}

由于Attr其实是由多个位域字段组成,所以我们再定义三个函数:

func (h *Header) IsMulti() bool {
    if ((h.Attr >> 12) & 0x0001) > 0 {
        return true
    }
    return false
}

//BodyLen is a function for get body len
func (h *Header) BodyLen() int {
    return int(h.Attr & 0x03ff)
}

//MakeAttr is generate attr
func MakeAttr(verFlag byte, mut bool, enc byte, lens uint16) uint16 {
    attr := lens & 0x03FF

    if verFlag > 0 {
        attr = attr & 0x4000
    }

    if mut {
        attr = attr & 0x2000
    }

    encMask := (uint16(enc) & 0x0007) << 10
    return attr + encMask
}

由于要考虑拆包和粘包问题,所以我们的过滤器需要能够同时分析多包数据,但是基本单元函数分析一帧数据,所以我们先实现一帧数据的过滤器:filterSigle

我们想要的过滤器原型是如下的一个函数:

func filterSigle(data []byte) (Message, int, error)

该函数接收一个存有从tcp端接收的数据流切片,需要返回我们解析出来的Message、解析过后消耗的字节数,错误信息。

很明显,这个返回的消耗字节数就是为了应对拆包和粘包用的。

我们知道jtt808协议是以0x7e开始和结尾的,我们定义一个常量:

const (
    ProtoHeader byte = 0x7e
)

filterSigle的第一个逻辑就是要识别帧头和帧尾了:

var usedLen int = 0

startindex := bytes.IndexByte(data, ProtoHeader)
if startindex >= 0 {
    usedLen = startindex + 1
    endindex := bytes.IndexByte(data[usedLen:], ProtoHeader)
    if endindex >= 0 {
        endindex = endindex + usedLen
    }
}

此处的帧头和帧尾索引均相对于data的起始字节而言。理想的情况下,在startindex和endindex之间的数据就是我们需要解析的数据,所以之后的解析都是对这部分数据进行分析。我们对这部分的逻辑单独用一个函数来处理,这个函数主要完成三个逻辑:转义、校验检查和解析

func frameParser(data []byte) (Message, error) {

}

data入参从startindex到endindex,不包括startindex和endindex。

在转义之前,首先判断基本的长度。通过对帧头固定字段分析可以知道,消息头部分的长度为17或者19个字节,加上帧头帧尾校验位的话最小就是17+3=20个字节,鉴于BODY部分可能为空,所以整个帧最小长度应该为20字节:

if len(data)+2 < 17+3 {
    return Message{}, fmt.Errorf("header is too short")
}

转义比较简单,为了代码复用,定义成一个函数:

func Escape(data, oldBytes, newBytes []byte) []byte {
    buff := make([]byte, 0)

    var startindex int = 0

    for startindex < len(data) {
        index := bytes.Index(data[startindex:], oldBytes)
        if index >= 0 {
            buff = append(buff, data[startindex:index]...)
            buff = append(buff, newBytes...)
            startindex = index + len(oldBytes)
        } else {
            buff = append(buff, data[startindex:]...)
            startindex = len(data)
        }
    }
    return buff
}

调用:

//不包含帧头帧尾
frameData := Escape(data[:len(data)], []byte{0x7d, 0x02}, []byte{0x7e})
frameData = Escape(frameData, []byte{0x7d, 0x01}, []byte{0x7d})

校验就是简单的异或校验,从消息头到消息体结束,即data[:len(data)-1]

func checkSum(data []byte) byte {
    var sum byte = 0
    for _, itemdata := range data {
        sum ^= itemdata
    }
    return sum
}

调用:

rawcs := checkSum(frameData[:len(frameData)-1])

if rawcs != frameData[len(frameData)-1] {
    return Message{}, fmt.Errorf("cs is not match:%d--%d", rawcs, frameData[len(frameData)-1])
}

然后就是对frameData中的具体数据进行解析了:

var usedLen int = 0
var msg Message
msg.HEADER.MID = codec.Bytes2Word(frameData[usedLen:])
usedLen = usedLen + 2
msg.HEADER.Attr = codec.Bytes2Word(frameData[usedLen:])
usedLen = usedLen + 2
msg.HEADER.Version = frameData[usedLen]
usedLen = usedLen + 1

注意usedLen要跟着实时变化。

手机号固定为10个字节,不足的话前面会填充0,所以我们要把前面无效的0去掉,使用bytes.TrimLeftFunc:

tempPhone := bytes.TrimLeftFunc(frameData[usedLen:usedLen+10], func(r rune) bool { return r == 0x00 })
msg.HEADER.PhoneNum = string(tempPhone)
usedLen = usedLen + 10
msg.HEADER.SeqNum = codec.Bytes2Word(frameData[usedLen:])
usedLen = usedLen + 2

同时还要对多帧的情况进行判断:

if msg.HEADER.IsMulti() {
    msg.HEADER.MutilFlag.MsgSum = codec.Bytes2Word(frameData[usedLen:])
    usedLen = usedLen + 2
    msg.HEADER.MutilFlag.MsgIndex = codec.Bytes2Word(frameData[usedLen:])
    usedLen = usedLen + 2
}

再次对usedLen长度判断一下,避免超过界限:

if len(frameData) < usedLen {
    return Message{}, fmt.Errorf("flag code is too short")
}

处理到上面的地方后,接着的就是BODY部分了,直接copy对应的长度,长度为:

len(frameData)-usedLen

逻辑如下

msg.BODY = make([]byte, len(frameData)-usedLen)
copy(msg.BODY, frameData[usedLen:len(frameData)])
usedLen = len(frameData)

return msg, nil

到此正常的流程就走完了。

调用:

msg, err := frameParser(frameData)

当返回错误时,返回的长度值应该为endindex,即不包括endindex处对应的0x7e。因为这个0x7e可能是后面数据的帧头。

msg, err := frameParser(data[startindex+1 : endindex])
if err != nil {
    return Message{}, endindex, err
}

return msg, endindex + 1, nil

对于

if endindex >= 0

条件不符合的,说明没有找到帧尾,可以包帧头前面的去掉了,但是帧头和帧头后面的数据要保留,用来跟之后的数据流拼接。

return Message{}, startindex, fmt.Errorf("can't find end flag")

对于

if startindex >= 0

条件不符合的,说明没有找到帧头,那就是整个帧都是无效的:

return Message{}, len(data), fmt.Errorf("can't find start flag")

这样就实现了一个单帧的过滤器。接着我们在单帧过滤器的基础上来实现多帧过滤器。

我们只需要对数据流进行单帧过滤,然后返回消耗的字节数。如果消耗了一定字节数后,还有剩余的字节,我们再对这些字节进行单帧过滤。依次循环,直到字节数消耗完或者发生错误。

所有循环结束后,我们还需要将剩余的字节数保留,用来跟下一次的数据流进行拼接。函数实现如下:

//Filter is proto Filter api
func Filter(data []byte) ([]Message, int, error) {
    var usedLen int = 0
    msgList := make([]Message, 0)
    var cnt int = 0
    for {
        cnt++
        if cnt > 10 {
            return []Message{}, 0, fmt.Errorf("time too much")
        }
        if usedLen >= len(data) {
            break
        }

        msg, lens, err := filterSigle(data[usedLen:])
        if err != nil {
            usedLen = usedLen + lens
            fmt.Println("err:", err)
            return msgList, usedLen, nil
        }
        usedLen = usedLen + lens
        msgList = append(msgList, msg)
    }
    return msgList, usedLen, nil
}

整个过滤器完整实现:

package proto

import (
    "bytes"
    "fmt"
    "tsp/codec"
    "tsp/utils"
)

const (
    ProtoHeader byte = 0x7e
)

type MultiField struct {
    MsgSum   uint16
    MsgIndex uint16
}

type Header struct {
    MID       uint16
    Attr      uint16
    Version   uint8
    PhoneNum  string
    SeqNum    uint16
    MutilFlag MultiField
}

func (h *Header) IsMulti() bool {
    if ((h.Attr >> 12) & 0x0001) > 0 {
        return true
    }
    return false
}

//BodyLen is a function for get body len
func (h *Header) BodyLen() int {
    return int(h.Attr & 0x03ff)
}

//MakeAttr is generate attr
func MakeAttr(verFlag byte, mut bool, enc byte, lens uint16) uint16 {
    attr := lens & 0x03FF

    if verFlag > 0 {
        attr = attr & 0x4000
    }

    if mut {
        attr = attr & 0x2000
    }

    encMask := (uint16(enc) & 0x0007) << 10
    return attr + encMask
}

//Message is struct for message for jtt808
type Message struct {
    HEADER Header
    BODY   []byte
}

func Version() string {
    return "1.0.0"
}

func Name() string {
    return "jtt808"
}

//Filter is proto Filter api
func Filter(data []byte) ([]Message, int, error) {
    var usedLen int = 0
    msgList := make([]Message, 0)
    var cnt int = 0
    for {
        //添加一个计数器,防止数据异常导致死循环
        cnt++
        if cnt > 10 {
            cnt = 0
            return []Message{}, 0, fmt.Errorf("time too much")
        }
        if usedLen >= len(data) {
            break
        }

        msg, lens, err := filterSigle(data[usedLen:])
        if err != nil {
            usedLen = usedLen + lens
            fmt.Println("err:", err)
            return msgList, usedLen, nil
        }
        usedLen = usedLen + lens
        msgList = append(msgList, msg)
    }
    return msgList, usedLen, nil
}

func filterSigle(data []byte) (Message, int, error) {
    var usedLen int = 0

    startindex := bytes.IndexByte(data, ProtoHeader)
    if startindex >= 0 {
        usedLen = startindex + 1
        endindex := bytes.IndexByte(data[usedLen:], ProtoHeader)
        if endindex >= 0 {
            endindex = endindex + usedLen

            msg, err := frameParser(data[startindex+1 : endindex])
            if err != nil {
                return Message{}, endindex, err
            }

            return msg, endindex + 1, nil
        }

        return Message{}, startindex, fmt.Errorf("can't find end flag")
    }
    return Message{}, len(data), fmt.Errorf("can't find start flag")
}

func Escape(data, oldBytes, newBytes []byte) []byte {
    buff := make([]byte, 0)

    var startindex int = 0

    for startindex < len(data) {
        index := bytes.Index(data[startindex:], oldBytes)
        if index >= 0 {
            buff = append(buff, data[startindex:index]...)
            buff = append(buff, newBytes...)
            startindex = index + len(oldBytes)
        } else {
            buff = append(buff, data[startindex:]...)
            startindex = len(data)
        }
    }
    return buff
}

func frameParser(data []byte) (Message, error) {
    if len(data)+2 < 17+3 {
        return Message{}, fmt.Errorf("header is too short")
    }

    //不包含帧头帧尾
    frameData := Escape(data[:len(data)], []byte{0x7d, 0x02}, []byte{0x7e})
    frameData = Escape(frameData, []byte{0x7d, 0x01}, []byte{0x7d})

    //之后的操作都是基于frameData来处理
    rawcs := checkSum(frameData[:len(frameData)-1])

    if rawcs != frameData[len(frameData)-1] {
        return Message{}, fmt.Errorf("cs is not match:%d--%d", rawcs, frameData[len(frameData)-1])
    }

    var usedLen int = 0
    var msg Message
    msg.HEADER.MID = codec.Bytes2Word(frameData[usedLen:])
    usedLen = usedLen + 2
    msg.HEADER.Attr = codec.Bytes2Word(frameData[usedLen:])
    usedLen = usedLen + 2
    msg.HEADER.Version = frameData[usedLen]
    usedLen = usedLen + 1

    tempPhone := bytes.TrimLeftFunc(frameData[usedLen:usedLen+10], func(r rune) bool { return r == 0x00 })
    msg.HEADER.PhoneNum = string(tempPhone)
    usedLen = usedLen + 10
    msg.HEADER.SeqNum = codec.Bytes2Word(frameData[usedLen:])
    usedLen = usedLen + 2

    if msg.HEADER.IsMulti() {
        msg.HEADER.MutilFlag.MsgSum = codec.Bytes2Word(frameData[usedLen:])
        usedLen = usedLen + 2
        msg.HEADER.MutilFlag.MsgIndex = codec.Bytes2Word(frameData[usedLen:])
        usedLen = usedLen + 2
    }

    if len(frameData) < usedLen {
        return Message{}, fmt.Errorf("flag code is too short")
    }

    msg.BODY = make([]byte, len(frameData)-usedLen)
    copy(msg.BODY, frameData[usedLen:len(frameData)])
    usedLen = len(frameData)

    return msg, nil
}

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