Protocol buffer序列化及其在微信蓝牙协议中的应用

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Protocol buffer是Google出品的一种轻便高效的结构化数据存储格式，可对结构化数据进行序列化，并具有语言无关、平台无关等特点，在通信协议和数据存储等领域已经得到广泛的应用。目前其已经提供 C/C++、Java、Python 等语言的 API。

一、Protocol buffer和XML

在数据通信传输时，一般需要将结构化的数据序列化成流进行传送，接收方再反序列化为原始格式数据进行处理。在Web通信领域，XML应用算是最通用的了。在时间性能上，虽然XML的序列化开销还可以，但是反序列化的效率是比较差，而Protocol buffer的反序列化效率是比较高的；在空间性能上，Protobuffer采用了可变长的数据编码格式，比XML的字符格式要高效得多。Google集群要处理PB级数据，Protocolbuffer能够在时间和空间性能上有所改进，在整体效益而言就是相当可观的。

正是基于以上原因，微信和蓝牙外设的通信协议采用了Protocol buffer对消息包体进行打包。本文的目标是讲述Protobuffer在蓝牙微信协议中的应用，有助于理解微信蓝牙协议，对微信发给蓝牙外设的消息数据流进行反序列化，得到原始的结构化格式数据。因此语法也是围绕微信蓝牙协议包展开。更加详细的语法请百度相关内容或者找笔者探讨。

二、微信蓝牙外设协议通用格式

微信蓝牙使用流进行传输，在流上传输的是一个接着一个的业务逻辑的数据包。把设备发往厂商服务器或者微信服务器的请求包称为Req，回复包称为Resp，一个请求对应一个回包。把厂商服务器或者微信服务器主动发往设备的请求包称为PushReq。

包结构由定长包头和变长包体组成，其中包体即由Protocol buffer进行打包。

其中，定长包头为8个字节，bMagicNumber为0xFE；bVer为版本01；nLength为包长，包括包头和包体的长度；nCmdId为命令编码，如登陆授权，初始化，发送数据，push推送等等；nSeq为序列号，PushReq包的序列号固定为0，其他请求和回复包的序列号务必保持一致，每次请求后序列号加1.

以厂商服务器主动发数据给设备的PushReq包为例来说明变长包体，其对应定长包头的nCmdId为ECI_push_recvData = 30001。包体包括以下三个部分：

1） Push包标识

2）自定义数据，指的是业务层自己定义的数据格式形成的数据。

3）数据类型，如厂商自定义的数据，还是微信客户端Html5的数据等

三、Protobuffer的语法表述

Protobuffer对push_recvData包的表述如下：

Message类似C语言的struct数据结构，是Protobuffer消息定义的关键字。RecvDataPush是消息的名称。

Required前缀表示该字段必须在序列化之前赋值，optional前缀表示可以不赋值。

BasePush BasePush是message的第一个字段field，前者代表数据类型，后者是名称，其中BashPush在协议中是这样定义的：

Message BashPush{} 其意味着里面没有数据项，BashPush在打包过程中只会出现数据类型，其实也是代表着一种push标识。

Bytes Data是第二个字段field，为字符串，名称是Data。

EmDeviceDataType type是第三个字段field，为设备数据类型，其中EmDeviceDataType是一个enum类型，如下：

1,2,3代表字段在序列化后布局中的位置index，第一个位置是BashPush，接着是Data、type。

四、Protobuffer打包

Protobuffer打包有以下要素和规则：

1.使用Varints算法表示数字。Varints是一种紧凑表示数字的方法。Varints中每一个字节的最高位是有特殊含义的，如果是1，则表示后续的字节也是该数字的一部分；如果是0，则结束。所以如果表示小于128的数值可以用一个字节，如果大于等于128的数字则要用更多的字节进行表示。

2. Protobuffer有以下数据类型

Type表示对应数据类型序号，其中Varint对应的数据类型包括int32,int64,enum等等，type序号为0,其都使用Varints进行表示。String,bytes,message类型对应的type序号为2.

3. Protobuffer打包即是将message通过一系列的key-value对来表示。而key就是每个message中各字段的index（并做一定运算），value根据类型的不同会有不同的表现形式。

其中key = field<<3 | type。field即字段的index，而type是字段的数据类型序号。

而value，在数据类型为Varint时，直接为字段的赋值，按照Varints算法进行编码；在其他类型时就是“长度+原始内容编码”。

五、PushReq包分析

我们通过微信提供的AirSyncDebugger2.1.0.apk来分析Protobuffer对数据包的序列化。该APP用于微信和蓝牙外设的通信调试，其封装了微信蓝牙的协议，一般先用该APP调通蓝牙协议，再和后台服务器联调。假设我们自定义的消息内容为fe cf 00 01 00 0c 20 01 00 00 00 00，即对应第二个字段bytesData，该消息内容是上一篇文章中服务器控制亮灯所发的消息，后台服务器和蓝牙外设的消息协议是自定义的。AirSyncDebugger对PushReq包的序列化如下：