通讯协议制定之交互方式、步骤介绍

1. 前言

• 通讯协议又称通信规程，是指通信双方对数据传送控制的一种约定，约定中包括对数据格式，同步方式，传送速度，传送步骤，检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守，它也叫做链路控制规程
• 根据项目中的实际应用，本人总结了嵌入式开发中通讯协议制定的相关考虑因素和经验技巧，具体包含如下内容，可供参考学习了解 ( 介绍中阐述的相关术语使用了开发交流沟通中的讲法，可能存在说法不同；因本人技术水平有限，分享创作的内容可能存在不合理的地方，欢迎相互交流沟通、批评指正)

1.通讯协议制定之前言、背景介绍
2.通讯协议制定之交互方式、步骤介绍
3.通讯协议制定之数据包结构介绍
4.通讯协议制定之数据传输类型及传输规则介绍
5.通讯协议制定之数据消息传输方式介绍
6.通讯协议制定之数据包校验算法介绍
7.通讯协议制定之常见问题、注意事项总结

• 通信双方在两个系统独自运行，那么通信数据什么时候开始发送？如何确保数据发送接收成功？数据交互的过程如何设定？为了解决这些疑问，本文将从通讯协议的发送数据方式，发送步骤方面，介绍通信的周期发送和事件发送的含义和过程；详细介绍握手、心跳、数据包的具体含义和交互方式步骤等内容

2. 通讯协议发送类型

• 如下示例，两块MCU芯片通过某种通信链路相互发送数据，发送的具体数据内容如何规定之后来详细介绍，本文从发送数据方式，发送步骤等内容进行介绍
  
• 根据通信的同步方式可以分成周期发送和事件发送两种类型

2.1 周期发送

• 周期发送：按照某个固定的周期，连续不断的持续发送，即发送的数据内容按照相同的间隔发送传输
• 周期发送用于数据频繁变化场景或者固定时间间隔发送的场景
• 如下示例为MCU A按照周期20ms的时间间隔，给MCU B发送数据内容
  

2.2 事件发送

• 事件发送：当某个事件触发发生，需要将该变化数据内容通知给另一方，则在事件触发后发送数据内容
• 事件发生后，为了保证数据准确发送成功，常有2种处理方法：一是事件发送后，将数据内容发送N次，比如连续发送3次（这个3次也可看成是周期发送过程），确保数据成功传输；二是采用一发一应答模式，即事件发送后，发送方发送数据，接受方接受数据后，回复一个应答消息，表示发送的数据接收成功
• 如下示例为MCU A检测到事件M发生后，将数据内容M发送给MCU B；之后MCU B检测到事件N发生后，将数据内容N发送给MCU A
  

3. 通讯协议数据包类型

3.1 握手

• 当MCU A和MCU B启动开始工作后，为了确定什么时候可以开始相互发送数据进行交互，从而引入了握手的概念
• 握手 ：通信的双方开始建立通信联系，确认可以相互发送数据的过程
• 通信的双方一般会确认一个主从关系，一般由做主的那方发起握手；或者将发起握手的那方，称为主导方
• 3次握手 ：一个全双工的通信，对于发送端和接收端来说，发送的消息一定是要有回复的，达到有去有回，才能代表着建立的道路是稳定连通的，因此至少需要3次交互，才能确保握手成功
• 如下示例图是一个3次握手的流程：
  1. MCU B发送握手请求给MCU A
  2. MCU A接收到握手请求后，发送握手回复给MCU B，MCU B接收到该回复后，认为自己和MCU A通信建立成功
  3. MCU B还需要发送一个应答ACK，告诉MCU A，发送的握手回复也收到了，MCU A接收到ACK后，握手完成
     
• 用俗语来表示3次握手过程；

1. B : 你好，我是B
2. A : 你好B，我是A
3. B : 你好A

• 3次握手的次数必须为3次，才能建立一个稳定的通信，缺少一次，都有可能发生问题；如果超过3次也没有必要，会浪费通信资源，造成不必要的开销

3.2 心跳

• 当MCU A和MCU B握手成功后，建立了通信联系，但是之后时间，如何确保双方都在线，通信一直没有断开，因此引入心跳概念
• 心跳： 在通信连接中，通信双方之间定期发送的一种特殊的数据包，用于通知对方自己还在线，以确保连接的有效性； 由于其发送的时间间隔往往是固定的持续的，就像是心跳一样一直存在，所以我们称之为心跳消息
• 和握手消息一样，一般由做主的那方发起心跳，另外一方接收到心跳后，发送心跳回复
• 如下示例图是一个心跳的流程，每隔500ms，MCU B发送一次心跳，MCU A接收后，发送心跳回复
  

3.1 数据包

• 数据包：通信双方相互发送的数据内容
• 按照通信的过程步骤，常将数据包分成如下4类：
  1. 通知包 ：通信的一方，主动将自己的数据发送给另一方，即通知给另一方，这个过程中发送的数据内容称为通知包
  2. 请求包 ：通信一方需要知道另一方数据内容，发送的查询请求指令数据
  3. 回复包 ：接收到查询请求指令后，回复该指令发送的内容数据
  4. 应答包 ：接收到了对方的数据后，需要发送一个应答，告诉发送方，自己接收到了该数据；应答又称为ACK
• 如果通知包是周期发送且周期较短，丢失数据不会造成影响，不需要和应答包配合；但是如果是事件发送，必须和应答包配合，达到一通知一应答
• 请求包和回复包必然配合出现，组成一问一答；一般都是采用事件的形式，因此需要加上应答，即组成一问一答一确认的3次交互，和3次握手原理一样
• 如下示例图是一通知一应答和一问一答一确认的3次交互模式示例图
  
• 上述交互过程可以根据实际需求，来规定具体的交互过程，比如在某些场景下，A发送请求包后，接收方B不能立马回复信息，需要经过处理后才能回复，业务逻辑时序交互过程应该规定成如下步骤：

(1) A --> B 请求
(2) B --> A 应答（成功接收请求应答）
(3) B --> A 回复
(4) A --> B 应答（成功接收回复应答）

4. 小结

• 一个完整、稳定的通信过程周期步骤总结如下：
  1. 通信建立：3次握手
  2. 通信建立后：根据交互需要，发送周期通知包；事件发送采用一通知一应答模式或者一问一答一确认模式
  3. 通信期间：持续发送心跳
  4. 重复上述过程
  5. 异常断开后，重新从步骤1握手建立开始
• 通信中存在诸多异常场景，导致数据丢失，因此设置通信交互过程时，必须考虑到：
  1. 应答确认必不可少
  2. 必须设置重发机制，检测到未完成完整的通信流程，通过重发机制避免错误

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