系统设计，协议先行。
大部分技术人没有接触协议的设计细节，更多的是使用已有协议进行应用层的编码，例如：
(1)使用http作为载体，设计get/post/cookie参数
(2)使用dubbo框架，而不用去深究内部的二进制包头包体，以及序列号反序列化的细节
无论如何，了解协议设计的原则，对深入理解系统通信非常有帮助。今天就以即时通讯(后称im)为例，讲讲应用层的协议选型。
一、im协议的分层设计
所谓“协议”是双方共同遵守的规则，例如：离婚协议，停战协议。协议有语法、语义、时序三要素。
(1)语法：即数据与控制信息的结构或格式
(2)语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
(3)时序：即事件实现顺序的详细说明
im协议设计分为三层：应用层、安全层、传输层。
分别看下这三层的协议应该如何选型。
二、im应用层协议设计
应用层协议选型，常见的有三种：文本协议、二进制协议、流式XML协议。
(1)文本协议
文本协议是指 “贴近人类书面语言表达”的通讯传输协议，典型的协议是http协议，一个http协议大致长成这样：
- GET / HTTP/1.1
- User-Agent: curl
- Host: musicml.net
- Accept: */*
文本协议的特点是：
a.可读性好，便于调试
b.扩展性也好(通过key:value扩展)
c.解析效率一般(一行一行读入，按照冒号分割，解析key和value)
d.对二进制的支持不好 ，比如语音/视频
im中，msn使用的是文本协议。
(2)二进制协议
二进制协议是指binary协议，典型是ip协议，以下是ip协议的一个图示：
二进制协议一般定长包头和可扩展变长包体 ，每个字段固定了含义 ，例如IP协议的前4个bit表示协议版本号 (Version)。
二进制协议有这样一些特点：
a.可读性差，难于调试
b.扩展性不好 ，如果要扩展字段，旧版协议就不兼容了，所以一般设计时会有一个Version字段
c.解析效率超高(几乎没有解析代价)
对二进制的支持不好 ，比如语音/视频
im中，QQ使用的时二进制协议。
(3)流式XML协议
im的准标准协议xmpp就是使用流式XML，像gtalk，校内通这些im都是基于xmpp的，让我们来看一个xmpp协议的例子：
- <message
- to=’romeo@example.net’
- from=’juliet@example.com’
- type=’chat’
- xml : lang=’en’>
- <body>Wherefore art thou, Romeo?</body>
- </message>
从xml标签中大致可以判断这是一个romeo发给juliet的聊天消息。
xmpp协议可以实现跨域的互通。例如gtalk和校内通用户聊天。只要服务端实现了s2s服务(server to server) ，不过现在的im基本没有互通需求 ，所以这个服务基本没有人实现。
Xmpp协议有几个特点：
a.它是准标准协议，可以跨域互通
b.XML的优点，可读性好，扩展性好
c.解析代价超高(dom解析)
d.有效数据传输率超低(大量的标签)
个人旗帜鲜明的强烈不建议使用xmpp，特别是无线端im，如果要用，一定要自己做压缩 ，减少网络流量(用过xmpp的同学都清楚，发一个登录包需要多少交互，要浪费多少流量)。
实际的栗子
下面来看一个im协议的实际例子 ，一般常见的做法是：定长二进制包头，可扩展变长包体。
包体可以使用用文本、XML等扩展性好的协议。
包头负责传输和解析效率，与业务无关。包体保证扩展性，与业务相关。
这是一个实际的16字节im二进制定长包头
- //sizeof(cs_header)=16
- struct cs_header
- {
- uint32_t version;
- uint32_t magic_num;
- uint32_t cmd;
- uint32_t len;
- uint8_t data[];
- }__attribute__((packed));
a.前4个字节是version;
b.接下来的4个字节是个“魔法数字(magic_num)“，用来保证数据错位或丢包问题，常见的做法是，包头放几个约定好的特殊字符，包尾放几个约定好的特殊字符 约定好，发给你的协议，某几个字节位置，是0x 01020304 ，才是正常报文;
c.接下来是command(命令号)，用来区分是keepalive报文、业务报文、密钥交换报文等;
d.len(包体长度)，告知服务端要接收多长的包体。
这是一个实际的可扩展im变长包体
- message CUserLoginReq
- {
- optional string username = 1;
- optional string passwd = 2;
- }
- message CUserLoginResp
- {
- optional uint64 uid =1;
- }
使用的是google的Protobuf协议，可以看到，登录请求包传入的是用户名与密码，登录响应包返回的是用户的uid。
当然，除了Protobuf，可选择的可扩展包体协议还有xml、json、mcpack(这...)等。
个人旗帜鲜明的推荐使用Protobuf，主要有几个原因：
a.现成的解析库种类多，可以生成C++、Java、php等代码
b.自带压缩功能
c.在工业界已广泛应用
d.google制造
三、im安全层协议设计
im协议，消息的保密性非常重要 ，谁都不希望自己聊天内容被看到，所以安全层是必不可少的。
1、SSL
证书管理微微复杂，代价有点高。
2、自行加解密
自己来搞加解密，核心在于密钥的生成与管理，密钥管理方式有多种，主要有这么三种：
(1)固定密钥
服务端和客户端约定好一个密钥，同时约定好一个加密算法(eg：AES )，每次客户端im在发送前，就用约定好的算法，以及约定好的密钥加密再传输，服务端收到报文后，用约定好的算法，约定好的密钥再解密。这种方式，密钥和算法对程序员都是透明的。
(2)一人一密钥
简单说来就是每个人的密钥是固定的，但是每个人之间又不同，其实就是在固定密钥的算法中包含用户的某一特殊属性，比如用户uid、手机号、qq号等。
(3)动态密钥(一session一密钥)
动态密钥，一Session一密钥的安全性更高，每次会话前协商密钥。
密钥协商的过程要经过2次非对称密钥的随机生成，1次对称加密密钥的随机生成，具体详情这里不展开，有兴趣的同学可以看下SSL密钥协商额过程。
四、im传输层协议设计
可选的协议有TCP和UDP
现在的im传输层基本都是使用TCP，有了epoll等技术后，多连接就不是瓶颈了，单机几十万链接没什么问题。
先聊这么多，希望对大伙进行应用/安全/传输层协议选型有帮助。
【本文为51CTO专栏作者“58沈剑”原创稿件，转载请联系原作者】
