CN115052046A - 一种数字化的网络通讯协议的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种使用元数据实现网络通讯协议的结构化管理，以及该协议通讯数据的遍历式编解码处理方法；本发明能大幅度降低并简化通讯协议的编程及使用成本，尤其是针对各类非标协议或基于标准协议的自定义扩展；本发明可广泛用于物联网SaaS产品、边缘计算系统和软件开发中间件等。
Description
技术领域
本发明涉及物联网相关的网络通讯技术领域，具体是一种网络通讯协议的数字化建模和处理方法。
背景技术
随着云计算、边缘计算和中间件的持续发展，物联网领域的非标准化和低标准化问题突出。因物联设备种类繁多、应用场景广泛，创新快既存多，新旧设备更迭成本高、周期长，难以完全统一通讯协议标准，故普遍采用各类标准协议扩展或私有定制协议，导致实际使用的网络通讯协议版本众多，需要较高的成本进行管理和编程实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种数字化的网络通讯协议的处理方法，解决现有通讯协议版本多、管理和编程实现成本高等问题，将通讯协议的管理及应用作为基础类产品，面向广泛的物联网应用领域提供优质服务。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种数字化的网络通讯协议的处理方法，包括以下部分：
（1）、元数据化的数模结构，是将通讯协议的逻辑结构分解并转化为数据，并依托这些数据进一步提供维护管理；
（2）、遍历式的编解码处理，是通过遍历结构化的元数据，实现对协议通讯数据的编解码处理；
（3）、场景化的审计式指令交互，是通过抽象常见交互场景，根据交互指令的数模定义，将指令的下达和响应过程记录在案；
（4）、时效性的数据处置方式，是结合半结构化和时序化技术，按照数据的时效性价值，提供差异化存储方案。
所述的一种数字化的网络通讯协议的处理方法，其部分（1）中，元数据化的数模结构，包括以下步骤：
（1.1）、协议定义，用于描述协议的基本情况，其内容包含：协议的标识、使用的传输层协议、起止符、以及粘包规则、报文的基本结构，所述报文基本结构包含：报文头、报文体、校验位；
（1.2）、报文定义，用于描述协议包含的报文及其应用场景，其内容包含：报文标识、类型、流向、报文体编组规则及描述，其中，类型包括：指令和数据两个种类；
（1.3）、编组规则，描述各项数据之间的传输位置关系，类型包括：序列编组、清单编组、键值对编组，且编组结构可以嵌套：
（1.3.1）、序列编组，固定顺序排列的多项异构数据的编组结构，其中部分数据的长度可以是通过计算间接依赖于其他数据值的传输形式，其内容包含：父结构类型、父结构标识、排列序号、数据标识符、长度计算公式、编解码规则标识；
（1.3.2）、清单编组，设定数量且各元素是相同构造的编组结构，支持多种获取元素数量的形式，其内容包含：父结构类型、父结构标识、获取元素数量的形式、数据标识符、元素编解码规则描述；
（1.3.3）、键值对编组，元素的数量和顺序不定，但各均按照“键值对”的形式传输、首尾衔接，其中，键的二进制长度统一设定，值则由专有编组形式构成，可携带一项或多项数据，其内容包含：父结构类型、父结构标识、键标识、数据标识符、编解码规则标识、嵌套编组规则及描述；
（1.4）、编解码规则，描述各项数据的编解码规则，其内容包含：规则标识、数据占用的二进制长度、数据类型、字节序、数制、编/解码转换公式、异常值、填充值；
（1.5）、指令定义，在部分（1.2）报文定义的类型是指令的扩展定义，其内容包含：报文标识、指令标识、应答报文标识、场景、行为、时效、参数集合；
（1.6）、阈值规则，在部分（1.2）报文定义的类型是数据的报文的监控逻辑模型，用于识别其内容中指定数据的值是否在特定范围，其内容包含：报文标识、数据标识、阈值范围，告警等级，以及用于通知外部处理程序的回调钩子。
所述的一种数字化的网络通讯协议的处理方法，其部分（2）中，遍历式的编解码处理，包括以下步骤：
（2.1）、通讯协议数据（字节码）的解码处理，包括下列环节：
（2.1.1）、识别报文结构，根据步骤（1.1）协议基本定义的报文基本结构，从传输层协议的编程接口获取字节码形式的通讯协议数据；
（2.1.2）、解析报文头，从步骤（1.3.1）序列编组的清单中筛选“父结构类型”定义为“报文头”的子集，并按照排列序号的升序开始遍历，逐项获取编码规则标识，并根据步骤（1.4）编解码规则的定义逐项进行解析，直至完成报文头的解析；
（2.1.3）、解析报文体，从步骤（2.1.2）解析报文头的结果中取得报文标识，用于从步骤（1.2）报文定义中筛选该报文的定义并获取其报文体编组规则，该规则是步骤（1.3）所包含的任意子类型，在该编组类型中匹配其父结构类型为报文体且父结构标识为报文标识的子集，遍历该编组集合并逐项获取其编码规则标识，再从步骤（1.4）编解码规则中获取的解析规则实现报文体中的各项数据的解析，最终获得完整的已解码数据并以JSON对象/树结构存储；
（2.2）、通讯协议数据（字节码）的编码处理，根据报文定义，将以JSON对象/树结构存储的待编码数据逐项编码为字节码形式的报文体和报文头，再根据协议基本定义的报文基本结构拼接成完整的字节码报文。
所述的一种数字化的网络通讯协议的处理方法，其部分（3）中，场景化的审计式指令交互，其中场景主要分为通讯会话场景和远程控制场景，指令交互包括以下步骤：
（3.1）、生成指令，根据终端标识、指令标识和参数集合触发指令下达动作、生成通讯报文和下达记录。
（3.2）、传输指令，根据终端标识获取传输协议连接、传输报文并回填记录，若设备失联导致无法获取传输协议连接时，则根据指令定义的时效性实施暂存，并在设备重连时补发。
（3.3）、响应指令，当接收到终端回传的指令响应报文时，先执行步骤（2.1）通讯协议数据（字节码）的解码处理，再执将响应结果回填记录并通知订阅方。
所述的一种数字化的网络通讯协议的处理方法，其部分（4）中，时效性的数据处置方式，包括以下步骤：
（4.1）、数据监控，根据预设的阈值定义过滤解码数据，当数据符合阈值范围时，存储阈值触发记录并通知外部程序；
（4.2）、数据存储，使用半结构化存储技术，存储结构至少包含终端标识、报文标识、报文解码数据（JSON）和时间，并按照数据的时效性价值差异，提供下列存储形式：
（4.2.1）、瞬时数据，按终端和报文的标识作为组合唯一条件踢重，仅按时间保留最新一条；
（4.2.2）、临近数据，按终端和报文时间做排列，保留最后一段时间（如：24小时）的内容，滚动更新；
（4.2.3）、全量数据，使用时序化存储技术，按报文时间分段（如：月季年），避免检索数据时造成全量扫描。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步解释，本发明的示意性实施示例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是通过结构化元数据定义通讯协议的流程图。
图2是根据解析协议数据并根据报文定义类型执行后续处理的流程图。
图3是按编组规则定义解析编组数据的流程图。
图4是指令生成下达及响应处理过程的流程图。
图5是数据项根据编解码规则的解码流程图。
图6是数据项根据编解码规则的编码流程图。
图7是抽象的通讯协议报文结构示意图。
图8是部标JT/T808的报文结构示意图。
图9是国标GB/T32960.3-2016的报文结构示意图。
图10是部标JT/T808的消息头序列编组示意图。
图11是部标JT/T808的消息体-位置汇报序列编组示意图。
图12是国标GB/T32960.3-2016的数据单元实时数据复合嵌套编组示意图。
图13是结构化元数据模型的类图示意图。
图14是结构化元数据模型的对象图国标GB/T32960.3-2016的简要示意图。
图15是图14中有关报文和报文头的详情图。
图16是图14中有关整车数据的详情图。
图17是图14中有关驱动电机总成数据的详情图。
图18是本方法的概要流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施示例，通过适配国标GB/T32960.3-2016和部标JT/T808的部分内容，对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文所使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含义相同。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、信息项和/或它们的组合，而这些步骤和元素不构成一个排他性的罗列，也可能包含其它的步骤或元素。
如图18所示，本方法主要分为两个阶段，首先是数字化定义通讯协议，其次是遍历数模处理协议数据。下面将结核具体示例介绍这两部分内容。
请参阅图13，本发明的一种实施例的UML统一建模类图，包括：通讯协议、报文定义、序列编组、清单编组、键值对编组、编解码规则、指令定义、阈值定义等实体类、用于辅助定义数据常量的枚举类型、以及遵循面向对象思想的接口、抽象和关系。该建模方案也适用于基于ORM对象关系映射的数据持久化技术。
在开始定义通讯协议的数据之前，如图7所示，应该先分析通讯协议的报文逻辑结构，再拆解其中各项元素并转化为数据逐步按建模结构完成定义。如图1所示步骤，首先是包含报文基本结构的协议定义，其次是罗列协议内所有的报文定义，再次是适用于所有报文的头结构的编组规则定义、从次是各报文差异化的体结构的编组规则定义，最后是那些被编组的原子性数据项的编解码规则定义，除此之外，还有用于描述指令交互行为的指令定义和数据监控行为的阈值定义。
按照部标JT/T808的内容要求，以及其报文逻辑结构分析，如图8所示，协议定义能提取出以下内容：TCP协议传输、起始符号0x7e、截止符号0x7e、报文结构包括“头-体-校验位”、校验算法BBC等等。
按照国标GB/T32960.3-2016的内容要求，以及其报文逻辑结构分析，如图9所示，协议定义能提取出以下内容：TCP协议传输、起始符号0x2323、无截止符号、报文结构包括“头-体-校验位”、校验算法BBC，报文体包含内容采集时间等。
按照国标GB/T32960.3-2016的内容要求，报文定义包括：车辆登入、车辆登出、平台登入、平台登出、实时数据、补发数据。本实施例以实时数据为例，提取以下内容：标识“0x02”、流向“上行”、报文体编组类型“键值对”，报文体编组选项包括“键值对的键长度为1字节“。
按照部标JT/T808的内容要求，以及其报文逻辑结构分析，如图10所示，该消息头的结构包含了采用序列编组的九项顺序排列的数据内容：消息ID、保留位、分包、加密、消息体长度、终端号、流水号、总包数、包序号。
按照部标JT/T808的内容要求，以及其消息体——位置汇报的逻辑结构分析，如图11所示，该消息体的结构包含了采用序列编组的若干内容，其中前八项顺序排列的数据内容：报警标志、状态、纬度、经度、高程、速度、方向、时间，以及从第九项开始，一组需通过计算确定的附加信息：信息ID、信息长度、信息内容。
按照国标GB/T32960.3-2016的内容要求，以及其数据单元——实时数据的逻辑结构分析，如图12所示，该数据单元除统一包含的数据采集时间之外，是一组通过嵌套呈现的复合式编组结构：顶层是采用键值对编组，键0x01的信息类型定义为整车数据，其值采用了序列编组结构，包括：车辆状态、充电状态、运行模式、车速、累计里程、总电压、总电流、SOC、DCDC、挡位、绝缘电阻、预留；键0x02的信息类型定义为驱动电机总成信息列表，其值采用了清单编组结构，除记录清单元素数量的电机数量外，清单中的元素则是采用序列编组结构，包括：电机序号、电机状态、控制器温度、转速、转矩、电机温度、控制器输入电压、控制器直流母线电流。
按照国标GB/T32960.3-2016的内容要求，本实施例列举报文头、整车数据和驱动电机总成信息，共计三组具有广泛代表性的编解码规则：
命令标识，提取内容：长度1字节、类型数字；
应答标志，提取内容：长度1字节、类型数字；
车辆识别码，提取内容：长度17字节，类型ASCII字符串；
数据单元加密方式，提取内容：长度1字节、类型数字、异常值0xFE、填充值0xFF；
数据单元长度，提取内容：长度2字节、类型数字、BIG-ENDIAN；
车辆状态，提取内容：长度1字节、类型数字、异常值0xFE、填充值0xFF；
充电状态，提取内容：长度1字节、类型数字、异常值0xFE、填充值0xFF；
运行模式，提取内容：长度1字节、类型数字、异常值0xFE、填充值0xFF；
车速，提取内容：长度2字节、类型数字、BIG-ENDIAN、解码转换公式x * 0.1、编码转换公式 x * 10、异常值0xFFFE、填充值0xFFFF；
累计里程，提取内容：长度4字节、类型数字、BIG-ENDIAN、解码转换公式x * 0.1、编码转换公式 x * 10、异常值0xFFFFFFFE、填充值0xFFFFFFFF；
总电压，提取内容：长度2字节、类型数字、BIG-ENDIAN、解码转换公式x * 0.1、编码转换公式 x * 10、异常值0xFFFE、填充值0xFFFF；
总电流，提取内容：长度2字节、类型数字、BIG-ENDIAN、异常值0xFFFE、填充值0xFFFF；
SOC，提取内容：长度1字节、类型数字、异常值0xFE、填充值0xFF；
DCDC，提取内容：长度1字节、类型数字、异常值0xFE、填充值0xFF；
挡位，提取内容：长度1字节、类型数字；
绝缘电阻，提取内容：长度2字节、类型数字、BIG-ENDIAN；
预留，提取内容：长度2字节；。
驱动电机序号，提取内容：长度1字节、类型数字、异常值0xFE、填充值0xFF；
驱动电机状态，提取内容：长度1字节、类型数字、异常值0xFE、填充值0xFF；
驱动电机控制器温度，提取内容：长度1字节、类型数字、解码转换公式x - 40、编码转换公式 x + 40、异常值0xFE、填充值0xFF；
驱动电机转速，提取内容：长度2字节、类型数字、BIG-ENDIAN、解码转换公式x -20000、编码转换公式 x + 20000、异常值0xFFFE、填充值0xFFFF；
驱动电机转矩，提取内容：长度2字节、类型数字、BIG-ENDIAN、解码转换公式x -20000、编码转换公式 x + 20000、异常值0xFFFE、填充值0xFFFF；
驱动电机温度，提取内容：长度1字节、类型数字、解码转换公式x - 40、编码转换公式 x + 40、异常值0xFE、填充值0xFF；
电机控制器输入电压，提取内容：长度2字节、类型数字、BIG-ENDIAN、解码转换公式x * 0.1、编码转换公式 x * 10、异常值0xFFFE、填充值0xFFFF；
电机控制器直流母线电流，提取内容：长度2字节、类型数字、BIG-ENDIAN、解码转换公式x * 0.1 - 1000、编码转换公式 (x + 1000) * 10、异常值0xFFFE、填充值0xFFFF；
注意：上述编解码转换公式中的x都是指该数据项在转换前的原值。
通过上述的报文逻辑结构分析，将拆解的各项元素提取信息存入图13所示的UML统一建模结构后，其中符合国标GB/T32960.3-2016的部分内容，呈现如图14所示的UML统一建模对象图，该图描述了通讯协议对象、报文定义对象、编组规则对象、以及编解码规则对象之间的结构及存储关系。按照报文的逻辑结构，还可以划分为三个部分：报文及报文头相关的对象关系详情，请参阅图15；整车数据相关的对象关系详情，请参阅图16；驱动电机总成数据相关的对象关系详情，请参阅图17。
如图14所示的这些对象在程序运行时中，还将用于遍历式通讯报文数据编解码处理。如图2所示。根据通讯协议的结构化数据定义，首先能按结构识别出通讯协议数据的字节码报文；其次根据报文头的编组规则定义解析报文标识性信息；再次根据匹配的报文体编组规则解析内容；最后根据报文定义的类型，选择按指令处理、或者是按数据监控和存储。
当按编组规则处理数据内容时，如图3所示，首先，要识别当前结构的编组类型；其次，根据当前结构的标识性信息和编组类型，获取编组规则清单；再次，根据编组特性遍历已获取的编组清单的每个项目；从次，检查遍历的当前项目是否是嵌套结构：递归处理嵌套结构，识别非嵌套的原子性编组的编解码规则标识；最后，根据识别的编解码规则标识，获取编解码规则信息，并执行编/解码处理。
当按编解码规则信息执行解码处理时，如图5所示，首先，根据规则定义的长度从字节流获取待解码内容；其次，根据规则定义的数据类型，用相应的方法获取初始解码值；再次，通过与规则定义的填充值对比得知是否为空值，空值需按空值初始化；从次，根据规则定义的转换公式，对非空的初始解码值进行转换；最后，将规则定义的数据标识符作为键，最终解码内容为值，以键值的形式存入预设的JSON/树结构。
当按编解码规则信息执行编码处理时，如图6所示，首先，根据规则定义的数据标识符从代表完整数据集的JSON/树结构中获取待编码内容；其次，做空值校验，将空值初始化为填充值；再次，将非空的待编码内容代入转换公式取得最终待编码值；从次，根据规则定义的数据类型，将待编码值转换为相应的字节码；最后，将字节码写入已累积前置内容的字节流。
当由上位机发起远程控制指令时，如图4所示，首先，创建指令下达记录；其次，编码指令报文；再次，根据指定的终端标识性信息获取传输协议会话，若会话不存在则等待会话建立后补发；从次，获取传输协议会话后发送报文并等待应答，若等待时间超时则重新发送，累计重试次数过多时中止并回填指令下达记录；最后，当成功接收指令应答时，回填指令下达记录并保存。
Claims (8)
1.一种数字化的网络通讯协议的处理方法，其特征是：包括：
SP01、根据网络通讯协议的逻辑结构，定义通讯协议的元数据，并通过该结构将通讯协议存储于数据库，再基于这些存储的数据进一步提供该通讯协议的维护管理；
SP02、根据网络通讯协议的逻辑结构，通过遍历结构化的元数据，实现对协议通讯数据的编解码处理；
SP03、根据网络通讯协议的定义内容，对解码后的协议通讯数据，实施相应的处理过程;
SP04、根据网络通讯协议的定义内容，按照指定目标终端、指令标识及参数，生成并下达控制指令、以及处理响应结果的过程。
2.根据权利要求1所述的数字化的网络通讯协议的处理方法，其特征在于，SP01中，所述定义通讯协议的元数据包括：
协议定义，用于描述协议的基本情况，其内容包括：协议的标识性信息、使用的传输层协议、起止符、以及粘包规则、以及报文的基本结构描述；
报文定义，用于描述协议内的报文及其应用场景，其内容包括：报文标识性信息、流向、报文体编组规则及描述、以及用于划分数据上报和指令交互的报文类型；
编组规则，用于描述报文内各数据项的组织形式及关系，可按照逻辑形式分为多种类型，且各类型编组可以通过嵌套构成更为复杂的编组结构；
编解码规则，用于描述具体数据项的编码和解码规则信息，其内容包括：规则标识性信息、数据的长度、数据类型、字节序、编码及解码的转换公式、数据无效时的填充值；
指令定义，用于描述在报文定义中，类型为指令交互的报文的指令专用信息，其内容包括：报文标识性信息、指令标识性信息、应答报文标识性信息、应用场景、指令行为、时效、参数集合；
阈值定义，用于描述在报文定义中，类型为数据上报的报文的监控逻辑——即指定数据项的数值范围是否合理，其内容包括：报文标识性信息、数据项标识性信息、数值的阈值范围，以及当数值不在阈值范围时产生的告警等级和用于通知后续处理程序的方法。
3.根据权利要求2所述的数字化的网络通讯协议的处理方法，其特征在于，所述编组规则的逻辑形式包括：
序列编组，固定顺序排列的多项异构数据的编组形式，其中一部分数据项的长度可以是通过计算公式，直接或间接依赖于其他数据项数值，其内容包括：父结构类型、父结构标识性信息、排列序号、长度计算公式、编解码规则标识性信息；
清单编组，设定成员数量且各成员是相同构造的编组形式，支持多种获取成员数量的方式，其内容包括：父结构类型、父结构标识性信息、获取成员数量的方式、成员的编解码规则描述；
键值对编组，成员的数量和顺序不确定，但按照“键值对”一键一值的形式，首尾衔接，其中，键的长度统一设定，值则由指定的编组形式构成，可携带一项或多项数据，其内容包括：父结构类型、父结构标识性信息、键的标识性信息、编码规则标识性信息、嵌套编组规则及描述。
4.根据权利要求1所述的数字化的网络通讯协议的处理方法，其特征在于，SP02中，所述遍历结构化的元数据，实现对协议通讯数据的解码处理：首先，根据数据库中存储的父结构类型为报文头的序列编组子集，按顺序逐项解析报文，获取报文标识性信息后；其次，从数据库中获取该报文定义的报文体编组规则，从数据库获取相应规则描述后，完成报文解析。
5.根据权利要求1所述的数字化的网络通讯协议的处理方法，其特征在于，SP02中，所述遍历结构化的元数据，实现对协议通讯数据的编码处理：首先，根据指定报文标识性信息从数据库中获取该报文定义中的报文体编组规则，根据规则将数据编码为报文体；其次，根据数据库中存储的父结构类型为报文头的序列编组子集，按顺序逐项编码报文头，其中按需填入报文体的相关信息（如，数据长度），衔接报文头和报文体后，按协议定义的校验规则，计算并填入校验码，最后再补全起止符。
6.根据权利要求1所述的数字化的网络通讯协议的处理方法，其特征在于，SP03中，所述的相应处理过程包括：
指令处理，是根据解码数据间接取得指令下达记录并回填响应结果并通知结果订阅方；
数据的阈值监控，是根据预设的阈值定义过滤解码数据，当数据符合阈值范围时，存储阈值触发记录并通知处理程序；
数据的存储，是使用半结构化存储技术，存储内容包括：终端标识、报文标识、报文解码数据和时间，并按照数据的时效性价值，提供差异化方案。
7.根据权利要求6所述的数字化的网络通讯协议的处理方法，其特征在于，所述的数据存储的时效性差异化方案，包括三种形式：
瞬时数据，将终端和报文的标识性信息作为组合唯一条件，剔除重复内容，仅按时间保留最新一条；
临近数据，按终端和报文时间做排列，仅保留最后一段时间的内容并滚动更新；
全量数据，使用时序化存储技术，按报文时间划段存储，避免检索数据时造成全量数据扫描。
8.根据权利要求1所述的数字化的网络通讯协议的处理方法，其特征在于，SP04中，所述的按照指定目标终端、指令标识及参数，生成、下达控制指令、并处理响应结果的过程，包括：
按照权利要求2所述的报文定义、编组规则、编解码规则和指令定义，生成下行指令报文和指令下达记录；
按照目标终端标识获取传输协议的连接会话并传输报文；
按照从传输协议获取的报文响应情况，回填指令下达记录，并通知结果订阅方。
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|---|---|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115834736A (zh) * | 2022-11-14 | 2023-03-21 | 四川启睿克科技有限公司 | 一种二进制报文的声明式报文解码方法 |
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- 2021-03-08 CN CN202110252111.1A patent/CN115052046A/zh active Pending
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