ndnSIM学习（五）——data包和interest包的tlv编码、解码过程以及如何判断包的类型

前言

前几天，我们组打算加一种新的数据包类型，这就需要我们了解data包和interest包的编解码过程，从而仿照这一过程，加入我们的新的包的类型。

具体师姐给我的任务要求是：

节点收到一个包，一般是根据第一个Type字段判断包的类型，Type=5是兴趣包，Type=6是数据包，然后执行对应的TLV解码和转发操作。请找一下，这段“判断包类型”的代码在那个文件里？

【注意：本文的结论并不完整，只是整个编解码的一部分。不过最近我有其他优先级更高的事情要做，所以暂时没有时间来修改本文，所以暂时让本文就这样。等我有空了再来重新理清这部分内容。】

一些前置知识

为了让读者能够读懂本文，先介绍一些ndn里用的编码的一些前置知识。

非负整数编码规则

首先，ndn对于非负整数的编码规则是按照官网上的Non-Negative Integer Encoding规则进行编码¹的。（推荐大家到官网去看，这里讲得并不详细）

具体来说，对于ndn中的一个非负整数（Non-Negative Integer），其按照非负整数编码（Non-Negative Integer Encoding）规则执行编码。详细的规则为：

• 如果这个数 $⩽252$ ，那么就用1字节表示它本身
• 如果这个数 $⩽2^{16}$ ，那么用3字节表示它。其中首字节为 $253$ ，用于标志长度为 $2$ ，代表真正表示这个数的是后面 $2$ 字节
• 如果这个数 $⩽2^{32}$ ，那么用3字节表示它。其中首字节为 $254$ ，用于标志长度为 $4$ ，代表真正表示这个数的是后面 $4$ 字节
• 如果这个数 $⩽2^{64}$ ，那么用3字节表示它。其中首字节为 $255$ ，用于标志长度为 $8$ ，代表真正表示这个数的是后面 $8$ 字节

举几个具体的例子，大家就懂了（如果还不懂，请怒骂博主sb，然后去看官网！）

0      ⇒  0x00
127    ⇒  0x7F
252    ⇒  0xFC
253    ⇒  0xFD00FD
256    ⇒  0xFD0100
65535  ⇒  0xFDFFFF
65536  ⇒  0xFE00010000

其实这种编码也挺好理解的，作为一种变长码，既保证了短码字的利用率，也保证了长码字的可扩展性。

TLV编码

所谓的TLV编码，全名就是 Type(T)-Length(L)-Value(V) 编码。说白了，每个包都被切成 TLV 的格式，前面 Type 代表类型，给大家摘录一段 tlv.hpp 的代码就懂了

namespace tlv {
enum : uint32_t {
  Invalid                         = 0,
  Interest                        = 5,
  Data                            = 6,
  Name                            = 7,
  GenericNameComponent            = 8,
  ImplicitSha256DigestComponent   = 1,
  ParametersSha256DigestComponent = 2,
  CanBePrefix                     = 33,
  MustBeFresh                     = 18,
  ...  // 以下太长了，不再全部摘录，自己去 <ns-3 folder>/build/ns3/ndnSIM/ndn-cxx/encoding/tlv.hpp 看吧
};
}

比如 tlv::Interest = 5 的意思就是：你看到 Type 是5，那么就代表这个包是一个interest包。那么这个interest包有多长呢？这就得要看 Length(L) 了。其中 Type 和 Length(L) 都是按照非负整数编码规则编码的，解码环节的代码会按照 Length(L) 取出对应长度的 Value 。

注意：T和L都是按照非负整数编码规则编码的！

举个例子：假设 Type=256, Length=65535 ，按照非负整数编码规则，这个TLV就应当是 (0xFD0100)(0xFDFFFF)(xxxxxxxxxxxxxx) ，其中加括号只是为了方便读者理解， (xxxxxxxxxxxxxx) 代表65535字节长的包。

data包和interest包的编码规则

上面介绍了TLV编码规则，我们知道 tlv::data=5 是不是说一个长度为 $256$ 的data包的内容就是 (0x05)(0xFD0100)(xxxxxxx) ，其中 xxxxxxx 只有数据？并不是，其实是 xxxxxxx 中包含了数据、签名等各种信息，每种信息都用 tlv 编码进行。或者跟具体地说，最外层的 tlv=(Type=Name)(Length)(V) 的 V 里面

咱们还是拿一具体的例子来说吧。比如data包，假设其中含有 Name+Content+SignatureInfo+SignatureValue 的信息。所以，实际上，这个data包里面真正包含的内容如下图所示：

因此，我们一定要注意一件事情——TLV编码的过程是反向进行的，TLV的解码是正向进行的，因为越里面的越应该先塞进去。

正片：data包和interest包是如何执行tlv编码、解码过程

有了前面的前置知识后，我们再来理解整个编解码过程就轻松多了。

编码过程

以下代码为在 ~/ndnSIM/ns-3/src/ndnSIM/ndn-cxx/ndn-cxx/data.cpp 的第46-84行。

template<encoding::Tag TAG>
size_t
Data::wireEncode(EncodingImpl<TAG>& encoder, bool wantUnsignedPortionOnly) const
{
  // Data ::= DATA-TLV TLV-LENGTH
  //            Name
  //            MetaInfo?
  //            Content?
  //            SignatureInfo
  //            SignatureValue

  size_t totalLength = 0;

  // SignatureValue
  if (!wantUnsignedPortionOnly) {
    if (!m_signature) {
      NDN_THROW(Error("Requested wire format, but Data has not been signed"));
    }
    totalLength += encoder.prependBlock(m_signature.getValue());
  }

  // SignatureInfo
  totalLength += encoder.prependBlock(m_signature.getInfo());

  // Content
  totalLength += encoder.prependBlock(getContent());

  // MetaInfo
  totalLength += getMetaInfo().wireEncode(encoder);

  // Name
  totalLength += getName().wireEncode(encoder);

  if (!wantUnsignedPortionOnly) {
    totalLength += encoder.prependVarNumber(totalLength);
    totalLength += encoder.prependVarNumber(tlv::Data);
  }
  return totalLength;
}

解码函数、判断包的类型

首先，回顾我们的问题

节点收到一个包，一般是根据第一个Type字段判断包的类型，Type=5是兴趣包，Type=6是数据包，然后执行对应的TLV解码和转发操作。请找一下，这段“判断包类型”的代码在那个文件里？

详见ndnSIM学习（九）——从consumer发兴趣包到producer返回data包的全过程，收到包判断是在 GenericLinkService::decodeNetPacket 函数。物理层收到包后

答案是：见 ~/ndnSIM/ns-3/src/ndnSIM/ndn-cxx/ndn-cxx/face.cpp 第273~307行的函数 Face::onReceiveElement ，其中第282行的 switch (netPacket.type()) 就是“判断包类型”的代码——

void
Face::onReceiveElement(const Block& blockFromDaemon)
{
  lp::Packet lpPacket(blockFromDaemon); // bare Interest/Data is a valid lp::Packet,
                                        // no need to distinguish

  Buffer::const_iterator begin, end;
  std::tie(begin, end) = lpPacket.get<lp::FragmentField>();
  Block netPacket(&*begin, std::distance(begin, end));
  switch (netPacket.type()) {
    case tlv::Interest: {
      auto interest = make_shared<Interest>(netPacket);
      if (lpPacket.has<lp::NackField>()) {
        auto nack = make_shared<lp::Nack>(std::move(*interest));
        nack->setHeader(lpPacket.get<lp::NackField>());
        extractLpLocalFields(*nack, lpPacket);
        NDN_LOG_DEBUG(">N " << nack->getInterest() << '~' << nack->getHeader().getReason());
        m_impl->nackPendingInterests(*nack);
      }
      else {
        extractLpLocalFields(*interest, lpPacket);
        NDN_LOG_DEBUG(">I " << *interest);
        m_impl->processIncomingInterest(std::move(interest));
      }
      break;
    }
    case tlv::Data: {
      auto data = make_shared<Data>(netPacket);
      extractLpLocalFields(*data, lpPacket);
      NDN_LOG_DEBUG(">D " << data->getName());
      m_impl->satisfyPendingInterests(*data);
      break;
    }
  }
}

具体来说，以一个interest包为例。假设我们现在收到了一个 Block 类型的包，此时触发了函数 Face::onReceiveElement(const Block& blockFromDaemon) 。该函数会看这个 Block 的 type ，即 switch (netPacket.type())

如果 case tlv::Interest: ，那么就会执行 auto interest = make_shared<Interest>(netPacket) ，也就是说将这个包强制转化为 Interest 类型，这其实是调用了 Interest 的构造函数

Interest::Interest(const Block& wire)
{
  wireDecode(wire);
}

同样的道理， case tlv::Data: 也为转化为 Data 类型。具体调用关系如下图所示——

这里由于时间关系，不跟大家细讲代码了，这里主要捋一捋整体框架性的思路。

• Face::onReceiveElement 将 Block 类型的内容，通过其 type 解码判别出它是 Interest 类还是 Data 类，从而将 Block 转化为对应的类型。
• 转化为对应类型后，由对应的构造函数执行 wireDecode 函数。
• 每个类的 wireDecode 函数都配备有 m_wire.parse() 函数，对 Block 类的 m_wire 进行参数解析。
• 参数解析方式基于前面的非负整数编码规则、TLV编码和data包和interest包的编码规则的前置知识，对于 Block 类型执行对应的解码。具体不想细讲了，前面已经讲得很细了。

这里的 readType 函数其实就是按照非负整数编码规则进行解码，这里我对于 readType 函数的一些坑点提示一下，以免大家重复踩坑。

其中 readType 函数调用了 readVarNumber 。

template<typename Iterator>
uint32_t
readType(Iterator& begin, Iterator end)
{
  uint64_t type = readVarNumber(begin, end);
  if (type == Invalid || type > std::numeric_limits<uint32_t>::max()) {
    NDN_THROW(Error("Illegal TLV-TYPE " + to_string(type)));
  }

  return static_cast<uint32_t>(type);
}

我们以 ReadNumberSlow 函数为例，讲解一下大致流程。注意begin参数传的是引用，执行完后，begin会指向下一个字节，也就是说这个函数是有副作用的，一定要注意。

template<typename Iterator>
class ReadNumberSlow
{
public:
  constexpr bool
  operator()(size_t size, Iterator& begin, Iterator end, uint64_t& number) const noexcept
  {
    number = 0;
    size_t count = 0;
    for (; begin != end && count < size; ++begin, ++count) {
      number = (number << 8) | *begin;
    }
    return count == size;
  }
};

？？

完蛋，忘了记录了，两天后全忘了，先把残存的遗骸保留下来吧

• ~/ndnSIM/ns-3/src/ndnSIM/NFD/daemon/fw/forwarder.cpp 的479-521行 Forwarder::onOutgoingNack 函数的第519行调用了 Face::sendNack 函数
• ???
• ~/ndnSIM/ns-3/src/ndnSIM/NFD/daemon/face/link-service.cpp 的103-111行 LinkService::receiveData
• ???

最后

以上就是搞怪缘分为你收集整理的ndnSIM学习（五）——data包和interest包的tlv编码、解码过程以及如何判断包的类型的全部内容，希望文章能够帮你解决ndnSIM学习（五）——data包和interest包的tlv编码、解码过程以及如何判断包的类型所遇到的程序开发问题。

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