基于编译技术的协议自动化解析程序的设计

邓 伟 ， 石 炜

（1.通信信息控制和安全技术重点实验室 浙江 嘉兴 314033；2.中国电子科技集团公司第三十六研究所 浙江 嘉兴 314033）

在复杂的通信系统设计过程中，设计者通常会将系统划分为独立的功能单元，单元之间通过接口相互连接，实现系统功能。一般来说，单元之间的物理连接会尽量采用同一种物理接口，但建立在物理接口之上的通信协议却因单元提供功能的差别而各不相同。开发人员必须为每个单元开发相应的协议解析程序，从协议数据中提取出所需要的信息加以处理，完成单元的控制。

这些通信协议的构成通常很类似，其主要构成为帧数据，并且帧数据的格式内容大都包含地址、命令、参数、数据等信息。传统的手工开发方式需要针对每条协议编写相应的解析程序，使得系统开发人员的主要精力无法集中在系统功能本身。针对这种情况，研究人员提出了远程过程调用（RPC）机制试图解决这一问题，但RPC的实现通常需要系统提供操作系统和TCP/IP协议栈[1-2]，这无疑增加了系统开发的难度；此外，一些简单的单元的接口控制逻辑通常是由低端的单片机构成，无法提供RPC机制所需的运行环境。这极大地限制了RPC机制的应用范围。相关文献[3]指出，可以通过采用编译技术来完成协议的解析和识别，但该文献提出的方案的需要宿主机提供解释性语言的支持，如VB、Python等语言，这些解释性语言通常在大多数单元中并不存在。

笔者针对上述解决方案的不足，提出了一种接近于帧协议文本的帧协议描述语言，并利用编译技术实现了一种自动化解析器，该解析器将帧协议描述语言自动转换为标准C语言的数据类型，并生成相应的解析函数和释放函数。利用该方案，开发人员只需要针对协议文本中的帧结构编写相应的帧协议描述说明，自动化解析器可根据帧协议描述说明自动生成相应的解析程序。开发人员调用生成的解析函数，即可提取出帧数据中包含的信息。该方案相对于RPC机制，减少了对系统环境的需求，极大地扩展了该方案的适用性。

1 总体设计方案

文中设计的协议自动化解析器主要包括帧协议语言、词法分析器、语法分析器、语义分析等，协议自动化解析器的工作流程如图1所示。

图1 协议自动化解析器工作流程Fig.1 Working flow of automatic protocol analyzer

协议自动解析器首先对帧格式描述语言进行词法分析和语法分析，根据分析结果生成标准C语言的数据结构定义和帧数据的解析函数。由于在帧数据的解析的过程中，需要动态的分配系统内存，因此自动化解析器还生成了对应的内存释放函数。这样避免了开发人员手工编写内存释放代码可能存在的内存泄露问题。将自动化解析器生成的C代码通过C编译器编译变为可执行代码。当某帧数据到达时，利用可执行代码即可完成帧协议的解析，并提取相应的信息，复制到帧数据C语言结构体相关域，应用程序通过访问该结构体即可完成信息的访问。

2 设计方案概述

2.1 帧协议描述语言

文中设计的帧协议描述语言是为了描述常用的通信协议而提出的一种专用描述语言，通过该语言可使设计人员方便的描述通信帧结构。帧协议描述语言主要包括词法部分和语法部分。词法主要包括对帧协议语言所使用的关键字和保留符号的描述。为了使设计的描述语言符合开发人员惯用的方式，文中定义了6类关键字和4类保留符号，如表1所示。

表1 帧描述语言中的关键字和保留符号Tab.1 Keywords and reserved symbols in frame description language

帧协议描述语言语法部分采用了常见的上下文无关文法来定义。文中设计的帧协议描述语言的主要语法元素包括帧、域、变量和数组，具体的语法结构定义如表2所示。

表2 帧描述语言的语法元素Tab.2 Syntax element in frame description language

2.2 基于Flex工具的词法分析

Flex是lex工具的开源版本[4]，它的主要功能是根据用户定义的词法规则，生成面向字符流的自动扫描程序，将字符流分解为独立的token和token所对应的词法属性。采用flex编写的词法分析程序主要包括3部分，每一部分用%%号分开。其中第一部分为引用的头文件，变量声明等；第二部分为词法规则定义的部分；第三部分为用户定义的函数。每个词法规则都由模式和动作两部分构成。其中模式部分采用正则表达式来定义，当字符流中出现了符合该正则表达式的部分时，词法扫描程序将执行该模式对应的动作。

帧协议描述语言词法分析主要包括对描述语言所定义的关键字、保留符号和合法标志符的识别，其部分flex程序如下：

上述程序通过flex工具编译并生成词法分析程序后，即可对帧协议语言进行词法分析，该程序遇到int等关键字，会返回该关键字属性；在遇到合法标志符时，会将yytext中该标志字符串复制到yylval.idName域中，返回变量属性；在遇到整型字符串时，会将yytext中的字符串转为整型，赋值到yylval.iVal域中，返回整型属性。

2.3 基于Bison工具的语法分析

Bison工具作为yacc的开源版本[4]，主要功能是根据用户定义的上下文无关文法来描述语言规则，从而生成语法分析的程序。Bison程序的结构与flex类似，同样采用%%将文件分为3部分，第一部分包含头文件声明、函数声明等；第二部分包括所有的语法规则表达式，也是语法分析的主要部分；第三部分是用户自定义函数，主要包含帧协议描述文件的打开、关闭，输出文件的创建等工作。

帧协议描述语言的bison文件的规则部分是主要构成部分。bison文件的规则部分将帧协议语法描述为一套产生规则，每条规则都由

它表示一个通信帧由帧名称和一个或多个域构成，对应的动作是生成这条通信帧的C语言结构体的定义。帧描述语言完整的规则部分如下：

Bison语法分析程序采用LALR分析方法[5-6]将词法分析程序返回的token序列与给定的语法规则匹配，并依据匹配的语法部分构建成相应的语法树。在帧语言文件分析结束后，相对应的语法树也已建立，此时语法分析阶段结束，由主程序调用语义分析函数完成帧协议分析函数的生成。

帧协议描述语言的语义分析部分主要是从根节点遍历语法部分构成的语法树，并根据树中每个节点的不同类型，产生相应的标准C代码。语义部分通过3次遍历语法树，分别产生帧结构定义，帧数据解析函数和帧数据释放函数。

3 试验验证

将文中设计的协议自动化解析器应用到某通信系统单元中，该单元的授时帧格式如表3所示。

表3 授时协议Tab.3 Time sync protocol

根据表3，可采用协议描述语言将授时帧描述如下：

将输出的文件通过C编译器编译，编译顺利通过。该试验结果显示，协议自动化解析器生成的C代码可以取代手工代码开发，应用程序通过调用time_sync_frame_anaylze_fn函数即可完成授时帧的解析，并在函数返回后可直接访问返回变量中的域，提取相关信息。如果授时帧协议有修改，开发人员只需要修改帧协议描述文件，自动化解析器将自动完成C代码的生成，这极大地减少了开发人员的负担。

4 结束语

文中开发自动化解析器可减少大量的代码编写工作，并且编码的准确性有很大提高。针对通信帧协议的更新，开发人员只需要修改帧协议描述文件，这简化了帧协议代码的维护工作，降低了帧协议开发的难度，在通信协议软件开发方面具有很强的实用性。

[1]Iseminger D.网络连接服务开发人员参考库RPC与WNet[M].3卷.北京：机械工业出版社，2001.

[2]许琼，蔡文皓.一种嵌入式RPC的设计与实现[J].电子设计工程，2011（5）：127-129.

XU Qiong，CAI Wen-hao.Design and implementation of embedded RPC[J].Electronic Design Engineering，2011（5）：127-129.

[3]董立，赵恒永.基于编译技术的协议解析方法[J].计算机工程，2007（11）：66-68.

DONG Li，ZHAO Heng-yong.Protocol parsing method based on compiling technology[J].Computer Engineering，2007（11）：66-68.

[4]利文.flex与bison[M].中文版.南京：东南大学出版社，2011.

[5]丁文魁，杜淑敏.编译原理和技术[M].北京：电子工业出版社，2008.

[6]刘坚.编译原理基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.