某協(xié)議報(bào)文編解碼模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅 捷，潘江峰，耿修堂

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，武器裝備的信息化程度亟待提高。在某武器系統(tǒng)信息化工程中，指揮控制指令的下達(dá)、空情信息的傳達(dá)、武器終端的狀態(tài)上報(bào)等信息的傳遞，由一個(gè)共同遵循的協(xié)議進(jìn)行約定。協(xié)議中詳細(xì)規(guī)定了所交換的報(bào)文及其相關(guān)信息。如何能夠快速、準(zhǔn)確地對(duì)報(bào)文進(jìn)行編解碼，是實(shí)現(xiàn)該協(xié)議重點(diǎn)需要解決的問(wèn)題。

針對(duì)該協(xié)議定義，筆者設(shè)計(jì)了一種編解碼模塊的實(shí)現(xiàn)方案，并在某項(xiàng)目上成功進(jìn)行了應(yīng)用。

1 編解碼模塊的總體設(shè)計(jì)

1.1 編解碼模塊的設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)的編解碼模塊應(yīng)滿足如下要求：

1)滿足協(xié)議對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

2)向高層提供編碼和解碼2個(gè)接口函數(shù)。

3)出現(xiàn)異常情況時(shí)，能自動(dòng)提供異常信息。

4)具有校驗(yàn)功能。

1.2 編解碼模塊的總體設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)協(xié)議報(bào)文的編解碼主要有兩方面的工作，一是進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，二是編解碼程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。

1.2.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換

協(xié)議是在一種抽象層次上來(lái)表示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息，在實(shí)際應(yīng)用中，需要將協(xié)議描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)翻譯轉(zhuǎn)換成具體語(yǔ)言(如C、C++等)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示形式[1]。需要對(duì)協(xié)議描述進(jìn)行分析、總結(jié)，提煉出統(tǒng)一的C語(yǔ)言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將其作為與高層的數(shù)據(jù)接口。

1.2.2 編解碼程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

編碼的過(guò)程是將高層提供的待編碼的報(bào)文信息(轉(zhuǎn)換后的C語(yǔ)言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))，經(jīng)過(guò)編碼函數(shù)處理后，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼流提供給高層。

解碼的過(guò)程是將高層提供的待解碼的二進(jìn)制碼流，經(jīng)過(guò)解碼函數(shù)處理后，解析成報(bào)文信息(C語(yǔ)言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))提供給高層。

在對(duì)編解碼模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要著重考慮軟件的可維護(hù)性和健壯性等[2-5]。

2 協(xié)議轉(zhuǎn)換

2.1 協(xié)議簡(jiǎn)介

該協(xié)議詳細(xì)定義了所交換的報(bào)文的結(jié)構(gòu)、報(bào)文中每個(gè)字段的含義及字段長(zhǎng)度、校驗(yàn)方式等。

報(bào)文由報(bào)頭、報(bào)文類(lèi)型字、信息字段、報(bào)文校驗(yàn)字組成。報(bào)頭由一些地址信息和控制類(lèi)信息組成。報(bào)文類(lèi)型字決定了報(bào)文的類(lèi)型，從而確定了本報(bào)文所包含的信息字段及其排列順序。報(bào)文校驗(yàn)字采用累加校驗(yàn)和的方式。

從協(xié)議描述到C語(yǔ)言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換需要經(jīng)過(guò)字段類(lèi)型的轉(zhuǎn)換、報(bào)文結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)接口的轉(zhuǎn)換3個(gè)步驟。

2.2 字段類(lèi)型的轉(zhuǎn)換

縱觀整個(gè)協(xié)議，各個(gè)字段的字長(zhǎng)從1 ～32 bit不等，有的帶有符號(hào)位，有的沒(méi)有符號(hào)位。在將協(xié)議描述轉(zhuǎn)換成C語(yǔ)言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，轉(zhuǎn)換規(guī)則見(jiàn)表1。

表1 類(lèi)型轉(zhuǎn)換規(guī)則

2.3 報(bào)文結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換

每個(gè)報(bào)文都有一個(gè)報(bào)頭，其結(jié)構(gòu)是固定的，所以將報(bào)頭定義為一個(gè)C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)體類(lèi)型。

typedef struct

{

報(bào)頭字段1

報(bào)頭字段2

……

} HEAD; //報(bào)頭

對(duì)于一個(gè)指定的報(bào)文，其包含的信息字段及其排列順序是固定的，所以將每一個(gè)報(bào)文的信息字段定義為一個(gè)C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)體類(lèi)型，這樣定義了多個(gè)C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體類(lèi)型與每個(gè)報(bào)文的信息字段對(duì)應(yīng)。

typedef struct

{

報(bào)文1的信息字段1

報(bào)文1的信息字段2

……

} BWXX1; //報(bào)文1的信息字段

typedef struct

{

報(bào)文2的信息字段1

報(bào)文2的信息字段2

……

} BWXX2; //報(bào)文2的信息字段

……

2.4 數(shù)據(jù)接口的轉(zhuǎn)換

每個(gè)報(bào)文的報(bào)頭和報(bào)文類(lèi)型字的結(jié)構(gòu)是固定的。

報(bào)文的校驗(yàn)功能在編解碼模塊中實(shí)現(xiàn)，只需把校驗(yàn)的結(jié)果反饋給高層即可。

從結(jié)構(gòu)上看，各個(gè)報(bào)文的不同之處在報(bào)文的信息字段部分，故將各個(gè)報(bào)文信息字段定義為一個(gè)C語(yǔ)言的共用體類(lèi)型，從而實(shí)現(xiàn)向高層提供一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，定義示意如下。

typedef struct

{

struct HEAD head; //報(bào)頭

unsigned char type; //報(bào)文類(lèi)型字

union

{

struct BWXX1 bw1;

struct BWXX2 bw2;

……

}bwxx;//報(bào)文信息

}MESSAGE;

3 編解碼程序的具體實(shí)現(xiàn)

編解碼模塊從功能上可以分為核心模塊、校驗(yàn)?zāi)K、異常處理模塊、比特流處理模塊。編解碼模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 核心模塊

核心模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)文的編解碼功能，并向高層提供編碼和解碼2個(gè)接口。

每一個(gè)C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體類(lèi)型都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的編碼函數(shù)，負(fù)責(zé)對(duì)結(jié)構(gòu)中的所有成員進(jìn)行編碼。在實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)文的編碼時(shí)，先打包報(bào)頭、報(bào)文類(lèi)型字，再根據(jù)報(bào)文類(lèi)型字判斷是哪條報(bào)文，繼而調(diào)用該報(bào)文信息字段的編碼函數(shù)。

每一個(gè)C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體類(lèi)型都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的解碼函數(shù)，負(fù)責(zé)對(duì)結(jié)構(gòu)中的所有成員進(jìn)行解碼。在實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)文的解碼時(shí)，先解包報(bào)頭、報(bào)文類(lèi)型字，再根據(jù)報(bào)文類(lèi)型字判斷是哪條報(bào)文，繼而調(diào)用該報(bào)文信息字段的解碼函數(shù)。

3.2 校驗(yàn)?zāi)K

協(xié)議采用校驗(yàn)和的方式進(jìn)行校驗(yàn)，即編碼后的數(shù)據(jù)流按字節(jié)累加，其結(jié)果的低8位作為校驗(yàn)和，放在報(bào)文的最后一個(gè)字節(jié)。為了簡(jiǎn)化高層的處理，將校驗(yàn)功能放到編解碼模塊里來(lái)實(shí)現(xiàn)。編碼時(shí)，需要按照規(guī)定在編碼后的比特流后添加校驗(yàn)和。解碼時(shí)，需要根據(jù)校驗(yàn)和進(jìn)行判斷，以確定是否正確接收到了報(bào)文。

3.3 異常處理模塊

在編解碼過(guò)程中還要對(duì)難以預(yù)料的一些問(wèn)題進(jìn)行異常處理，比如數(shù)據(jù)越界、不支持的報(bào)文類(lèi)型字、待解包的字符串過(guò)短解不出正確的數(shù)據(jù)、由校驗(yàn)和判斷出傳輸中出現(xiàn)錯(cuò)誤等等，并將發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題向高層報(bào)告。

3.4 比特流處理模塊

協(xié)議中的數(shù)據(jù)類(lèi)型從1～32 bit不等，而且出現(xiàn)的順序是隨機(jī)的，沒(méi)有規(guī)律可循，如何能夠?qū)崿F(xiàn)從字節(jié)中的任何位置開(kāi)始打包、解包任何長(zhǎng)度(32 bit內(nèi))的數(shù)據(jù)，同時(shí)保證具有良好的擴(kuò)展性是重點(diǎn)需要解決的問(wèn)題，這也是編解碼模塊實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。

對(duì)于編碼過(guò)程，采用以下3個(gè)層次進(jìn)行處理：

3.4.1 基礎(chǔ)編碼函數(shù)

基礎(chǔ)編碼函數(shù)是將1～8 bit數(shù)據(jù)打包到比特流中，需要全面考慮待打包數(shù)據(jù)從當(dāng)前字節(jié)的第幾個(gè)比特開(kāi)始打包、當(dāng)前字節(jié)是否放得下、是否需要跨字節(jié)等情況，從而使得基礎(chǔ)編碼函數(shù)能夠適用于所有可能的情況。這是進(jìn)行編碼的基礎(chǔ)，它的正確性、健壯性決定了編碼模塊的正確性、健壯性。

3.4.2 擴(kuò)展編碼函數(shù)

擴(kuò)展編碼函數(shù)是將9 ～32 bit數(shù)據(jù)打包到比特流中，這里采用了一個(gè)巧妙的方法將問(wèn)題進(jìn)行轉(zhuǎn)化。首先，對(duì)待編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，分解成n+8、n+8+8、n+8+8+8位，其中1≤n≤8，n代表待編碼數(shù)據(jù)最高字節(jié)占有的比特?cái)?shù)；其次，針對(duì)待編碼數(shù)據(jù)的每個(gè)字節(jié)調(diào)用一次基礎(chǔ)編碼函數(shù)，從高字節(jié)到低字節(jié)依次進(jìn)行編碼。這樣復(fù)雜的編碼問(wèn)題轉(zhuǎn)換成了簡(jiǎn)單的加法問(wèn)題。

3.4.3 帶符號(hào)位的數(shù)據(jù)的編碼函數(shù)

對(duì)于帶符號(hào)位的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，區(qū)分正負(fù)數(shù)分別對(duì)待。對(duì)于正數(shù)，直接調(diào)用相關(guān)的基礎(chǔ)編碼函數(shù)、擴(kuò)展編碼函數(shù)即可。對(duì)于負(fù)數(shù)，先調(diào)用基礎(chǔ)編碼函數(shù)將符號(hào)位進(jìn)行打包，再根據(jù)負(fù)數(shù)的存儲(chǔ)形式取其數(shù)據(jù)位[6]，之后再調(diào)用相關(guān)的基礎(chǔ)編碼函數(shù)、擴(kuò)展編碼函數(shù)。

與編碼過(guò)程類(lèi)似，解碼過(guò)程也是采用基礎(chǔ)解碼函數(shù)、擴(kuò)展解碼函數(shù)、帶符號(hào)位的數(shù)據(jù)的解碼函數(shù)3個(gè)層次進(jìn)行處理。

4 結(jié) 論

筆者所設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的編解碼模塊具有良好的框架，使得具有較高的可維護(hù)性。當(dāng)因協(xié)議需要而增加新報(bào)文或者當(dāng)因協(xié)議修改而需要修改某報(bào)文的信息字段時(shí)，只需要對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)定義、報(bào)文信息字段的編解碼函數(shù)等進(jìn)行修改即可。本編解碼模塊具有良好的健壯性。對(duì)基本編碼解碼函數(shù)的遍歷測(cè)試，保證了對(duì)比特流處理的正確性；對(duì)各種可能出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行異常處理，保證了本編解碼模塊的健壯性。本編解碼模塊能夠滿足實(shí)時(shí)性的要求。經(jīng)測(cè)試，完成一條報(bào)文的編碼解碼需要的時(shí)間是幾個(gè)毫秒，完全滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的需要。

目前該編解碼模塊已經(jīng)在某系統(tǒng)的多個(gè)設(shè)備中進(jìn)行了應(yīng)用，并取得了較好的效果。

參考文獻(xiàn)(References)

[1] 李小文,冉靖.LTE協(xié)議棧中ASN.1模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2011,37(8)：252-255.

LI Xiao-wen, Ran Jing. Design and realization of ASN.1 module in LTE protocol stack[J].Computer Engineering,2011,37(8):252-255. (in Chinese)

[2] 何國(guó)偉,王瑋.軟件可靠性[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1998:218-348.

HE Guo-wei, WANG Wei. Software reliability[M]. Bejing:National Defense Industry Press,1998:218-348. (in Chinese)

[3] 鄧良松,劉海巖,陸麗娜.軟件工程[M].2版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004:83-93.

DENG Liang-song, LIU Hai-yan, LU Li-na. Software engineering[M].2nd ed. Xi’an: Xi’an Electronic and Science University Press,2004:83-93. (in Chinese)

[4] 普雷斯曼 R S.軟件工程[M].郭肇德,鄭少仁,譯.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1988:248-269.

Prysmian R S.Software engineering[M].GUO Zhao-de,ZHENG Shao-ren,translated. Bejing:National Defense Industry Press,1988:248-269. (in Chinese)

[5] 鄭人杰,殷仁昆.實(shí)用軟件工程[M].北京:清華大學(xué)出版社,1991:202-220.

ZHENG Ren-jie, YIN Ren-kun. Practical software engineering[M]. Beijing: Tsinghua University Press,1991:202-220. (in Chinese)

[6] 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].3版.北京:清華大學(xué)出版社,2005:40-41.

TAN Hao-qiang. C programming design[M].3rd ed. Beijing: Tsinghua University Press,2005:40-41. (in Chinese)