基于編譯技術(shù)的協(xié)議自動化解析程序的設(shè)計

鄧 偉 ， 石 煒

（1.通信信息控制和安全技術(shù)重點實驗室 浙江 嘉興 314033；2.中國電子科技集團公司第三十六研究所 浙江 嘉興 314033）

在復(fù)雜的通信系統(tǒng)設(shè)計過程中，設(shè)計者通常會將系統(tǒng)劃分為獨立的功能單元，單元之間通過接口相互連接，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。一般來說，單元之間的物理連接會盡量采用同一種物理接口，但建立在物理接口之上的通信協(xié)議卻因單元提供功能的差別而各不相同。開發(fā)人員必須為每個單元開發(fā)相應(yīng)的協(xié)議解析程序，從協(xié)議數(shù)據(jù)中提取出所需要的信息加以處理，完成單元的控制。

這些通信協(xié)議的構(gòu)成通常很類似，其主要構(gòu)成為幀數(shù)據(jù)，并且?guī)瑪?shù)據(jù)的格式內(nèi)容大都包含地址、命令、參數(shù)、數(shù)據(jù)等信息。傳統(tǒng)的手工開發(fā)方式需要針對每條協(xié)議編寫相應(yīng)的解析程序，使得系統(tǒng)開發(fā)人員的主要精力無法集中在系統(tǒng)功能本身。針對這種情況，研究人員提出了遠程過程調(diào)用（RPC）機制試圖解決這一問題，但RPC的實現(xiàn)通常需要系統(tǒng)提供操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議棧[1-2]，這無疑增加了系統(tǒng)開發(fā)的難度；此外，一些簡單的單元的接口控制邏輯通常是由低端的單片機構(gòu)成，無法提供RPC機制所需的運行環(huán)境。這極大地限制了RPC機制的應(yīng)用范圍。相關(guān)文獻[3]指出，可以通過采用編譯技術(shù)來完成協(xié)議的解析和識別，但該文獻提出的方案的需要宿主機提供解釋性語言的支持，如VB、Python等語言，這些解釋性語言通常在大多數(shù)單元中并不存在。

筆者針對上述解決方案的不足，提出了一種接近于幀協(xié)議文本的幀協(xié)議描述語言，并利用編譯技術(shù)實現(xiàn)了一種自動化解析器，該解析器將幀協(xié)議描述語言自動轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)C語言的數(shù)據(jù)類型，并生成相應(yīng)的解析函數(shù)和釋放函數(shù)。利用該方案，開發(fā)人員只需要針對協(xié)議文本中的幀結(jié)構(gòu)編寫相應(yīng)的幀協(xié)議描述說明，自動化解析器可根據(jù)幀協(xié)議描述說明自動生成相應(yīng)的解析程序。開發(fā)人員調(diào)用生成的解析函數(shù)，即可提取出幀數(shù)據(jù)中包含的信息。該方案相對于RPC機制，減少了對系統(tǒng)環(huán)境的需求，極大地擴展了該方案的適用性。

1 總體設(shè)計方案

文中設(shè)計的協(xié)議自動化解析器主要包括幀協(xié)議語言、詞法分析器、語法分析器、語義分析等，協(xié)議自動化解析器的工作流程如圖1所示。

圖1 協(xié)議自動化解析器工作流程Fig.1 Working flow of automatic protocol analyzer

協(xié)議自動解析器首先對幀格式描述語言進行詞法分析和語法分析，根據(jù)分析結(jié)果生成標(biāo)準(zhǔn)C語言的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義和幀數(shù)據(jù)的解析函數(shù)。由于在幀數(shù)據(jù)的解析的過程中，需要動態(tài)的分配系統(tǒng)內(nèi)存，因此自動化解析器還生成了對應(yīng)的內(nèi)存釋放函數(shù)。這樣避免了開發(fā)人員手工編寫內(nèi)存釋放代碼可能存在的內(nèi)存泄露問題。將自動化解析器生成的C代碼通過C編譯器編譯變?yōu)榭蓤?zhí)行代碼。當(dāng)某幀數(shù)據(jù)到達時，利用可執(zhí)行代碼即可完成幀協(xié)議的解析，并提取相應(yīng)的信息，復(fù)制到幀數(shù)據(jù)C語言結(jié)構(gòu)體相關(guān)域，應(yīng)用程序通過訪問該結(jié)構(gòu)體即可完成信息的訪問。

2 設(shè)計方案概述

2.1 幀協(xié)議描述語言

文中設(shè)計的幀協(xié)議描述語言是為了描述常用的通信協(xié)議而提出的一種專用描述語言，通過該語言可使設(shè)計人員方便的描述通信幀結(jié)構(gòu)。幀協(xié)議描述語言主要包括詞法部分和語法部分。詞法主要包括對幀協(xié)議語言所使用的關(guān)鍵字和保留符號的描述。為了使設(shè)計的描述語言符合開發(fā)人員慣用的方式，文中定義了6類關(guān)鍵字和4類保留符號，如表1所示。

表1 幀描述語言中的關(guān)鍵字和保留符號Tab.1 Keywords and reserved symbols in frame description language

幀協(xié)議描述語言語法部分采用了常見的上下文無關(guān)文法來定義。文中設(shè)計的幀協(xié)議描述語言的主要語法元素包括幀、域、變量和數(shù)組，具體的語法結(jié)構(gòu)定義如表2所示。

表2 幀描述語言的語法元素Tab.2 Syntax element in frame description language

2.2 基于Flex工具的詞法分析

Flex是lex工具的開源版本[4]，它的主要功能是根據(jù)用戶定義的詞法規(guī)則，生成面向字符流的自動掃描程序，將字符流分解為獨立的token和token所對應(yīng)的詞法屬性。采用flex編寫的詞法分析程序主要包括3部分，每一部分用%%號分開。其中第一部分為引用的頭文件，變量聲明等；第二部分為詞法規(guī)則定義的部分；第三部分為用戶定義的函數(shù)。每個詞法規(guī)則都由模式和動作兩部分構(gòu)成。其中模式部分采用正則表達式來定義，當(dāng)字符流中出現(xiàn)了符合該正則表達式的部分時，詞法掃描程序?qū)?zhí)行該模式對應(yīng)的動作。

幀協(xié)議描述語言詞法分析主要包括對描述語言所定義的關(guān)鍵字、保留符號和合法標(biāo)志符的識別，其部分flex程序如下：

上述程序通過flex工具編譯并生成詞法分析程序后，即可對幀協(xié)議語言進行詞法分析，該程序遇到int等關(guān)鍵字，會返回該關(guān)鍵字屬性；在遇到合法標(biāo)志符時，會將yytext中該標(biāo)志字符串復(fù)制到y(tǒng)ylval.idName域中，返回變量屬性；在遇到整型字符串時，會將yytext中的字符串轉(zhuǎn)為整型，賦值到y(tǒng)ylval.iVal域中，返回整型屬性。

2.3 基于Bison工具的語法分析

Bison工具作為yacc的開源版本[4]，主要功能是根據(jù)用戶定義的上下文無關(guān)文法來描述語言規(guī)則，從而生成語法分析的程序。Bison程序的結(jié)構(gòu)與flex類似，同樣采用%%將文件分為3部分，第一部分包含頭文件聲明、函數(shù)聲明等；第二部分包括所有的語法規(guī)則表達式，也是語法分析的主要部分；第三部分是用戶自定義函數(shù)，主要包含幀協(xié)議描述文件的打開、關(guān)閉，輸出文件的創(chuàng)建等工作。

幀協(xié)議描述語言的bison文件的規(guī)則部分是主要構(gòu)成部分。bison文件的規(guī)則部分將幀協(xié)議語法描述為一套產(chǎn)生規(guī)則，每條規(guī)則都由

它表示一個通信幀由幀名稱和一個或多個域構(gòu)成，對應(yīng)的動作是生成這條通信幀的C語言結(jié)構(gòu)體的定義。幀描述語言完整的規(guī)則部分如下：

Bison語法分析程序采用LALR分析方法[5-6]將詞法分析程序返回的token序列與給定的語法規(guī)則匹配，并依據(jù)匹配的語法部分構(gòu)建成相應(yīng)的語法樹。在幀語言文件分析結(jié)束后，相對應(yīng)的語法樹也已建立，此時語法分析階段結(jié)束，由主程序調(diào)用語義分析函數(shù)完成幀協(xié)議分析函數(shù)的生成。

幀協(xié)議描述語言的語義分析部分主要是從根節(jié)點遍歷語法部分構(gòu)成的語法樹，并根據(jù)樹中每個節(jié)點的不同類型，產(chǎn)生相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)C代碼。語義部分通過3次遍歷語法樹，分別產(chǎn)生幀結(jié)構(gòu)定義，幀數(shù)據(jù)解析函數(shù)和幀數(shù)據(jù)釋放函數(shù)。

3 試驗驗證

將文中設(shè)計的協(xié)議自動化解析器應(yīng)用到某通信系統(tǒng)單元中，該單元的授時幀格式如表3所示。

表3 授時協(xié)議Tab.3 Time sync protocol

根據(jù)表3，可采用協(xié)議描述語言將授時幀描述如下：

將輸出的文件通過C編譯器編譯，編譯順利通過。該試驗結(jié)果顯示，協(xié)議自動化解析器生成的C代碼可以取代手工代碼開發(fā)，應(yīng)用程序通過調(diào)用time_sync_frame_anaylze_fn函數(shù)即可完成授時幀的解析，并在函數(shù)返回后可直接訪問返回變量中的域，提取相關(guān)信息。如果授時幀協(xié)議有修改，開發(fā)人員只需要修改幀協(xié)議描述文件，自動化解析器將自動完成C代碼的生成，這極大地減少了開發(fā)人員的負擔(dān)。

4 結(jié)束語

文中開發(fā)自動化解析器可減少大量的代碼編寫工作，并且編碼的準(zhǔn)確性有很大提高。針對通信幀協(xié)議的更新，開發(fā)人員只需要修改幀協(xié)議描述文件，這簡化了幀協(xié)議代碼的維護工作，降低了幀協(xié)議開發(fā)的難度，在通信協(xié)議軟件開發(fā)方面具有很強的實用性。

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