通信協議中的大小端究竟是什么？

作者：Reathin 2024-04-01 08:24:56

在通信協議中，必須明確指定使用哪種字節序，以確保發送方和接收方能夠正確地解釋數據。否則，如果發送方使用大端而接收方使用小端（或反之），那么在數據傳輸過程中就可能會出現混亂。

在物聯網應用開發中，從嵌入式工程拿到的通信協議中經常會看到標明大小端模式，那么大小端究竟是什么？

大小端序

在通信協議中，大小端（Endian）是一個重要的概念，涉及到多字節數據（如整數、浮點數等）在內存中的存儲方式。大小端序決定了數據的高位字節（Most Significant Byte，MSB）和低位字節（Least Significant Byte，LSB）在內存地址中的排列順序。對于跨平臺通信和數據交換至關重要，因為不同的硬件平臺可能采用不同的字節序。

「大端（Big Endian）」：高位字節存儲在內存的低地址處，低位字節存儲在內存的高地址處。例如，一個16位的整數0x1234在大端模式下，在內存中的表示是0x12 0x34。
「小端（Little Endian）」：低位字節存儲在內存的低地址處，高位字節存儲在內存的高地址處。對于同一個16位的整數0x1234，在小端模式下，在內存中的表示是0x34 0x12。

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一種常見的做法是在通信協議中明確指定字節序，無論發送方和接收方的軟件硬件平臺如何，都可以確保數據的正確解釋。也可能需要在通信協議中添加一些特定的標記或元數據，來指示數據的字節序，接收方就可以根據這些標記來動態地調整其字節序解釋方式。

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例如，許多網絡協議（如TCP/IP）使用大端序，而x86和x86_64等Intel架構則采用小端序。當進行跨平臺通信時，字節序的不匹配可能會導致問題，通常需要在發送和接收數據時轉換字節序。

在編程中，有時需要編寫特定的代碼來處理字節序的轉換，以確保數據的正確解釋。例如，在C語言中，可以使用htonl、ntohl、htons、ntohs等函數來處理網絡字節序和主機字節序之間的轉換。這些函數名稱中的"h"代表host（主機），"n"代表network（網絡），"s"代表short（短整型），"l"代表long（長整型）。

端序轉換

在Java中，進行端序轉換可以直接使用ByteBuffer類。ByteBuffer支持大端序（Big Endian）和小端序（Little Endian），并且可以在運行時動態地改變字節序。

對于整數類型（如int、short等），可以使用ByteBuffer的order()方法來設置字節序，然后使用putInt()、getShort()等方法來讀寫數據。

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.ByteOrder;

public class EndianConversion {
    public static void main(String[] args) {
        int data1 = 0x12345678;
        short data2 = 0x1234;

        // 使用ByteBuffer進行端序轉換
        ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(6); // 分配足夠的空間
        ByteBuffer buffer2 = ByteBuffer.allocate(6);
        // 設置為小端序并寫入數據
        buffer1.order(ByteOrder.LITTLE_ENDIAN);
        buffer1.putInt(data1);
        
        buffer2.order(ByteOrder.LITTLE_ENDIAN);
        buffer2.putShort(data2);

        // 翻轉到大端序并讀取數據
        buffer1.flip(); // 準備從緩沖區讀取數據
        buffer1.order(ByteOrder.BIG_ENDIAN);
        int bigEndian1 = buffer1.getInt();
        
        buffer2.flip();
        buffer2.order(ByteOrder.BIG_ENDIAN);
        short bigEndian2 = buffer.getShort();

        System.out.println("原int值: " + Integer.toHexString(data1));
        System.out.println("大端模式int值: " + Integer.toHexString(bigEndian1));
        System.out.println("原short值: " + Integer.toHexString(data2 & 0xFFFF));
        System.out.println("大端模式short值: " + Integer.toHexString(bigEndian2 & 0xFFFF));
    }
}

對于浮點類型（如float、double），同樣可以使用ByteBuffer進行端序轉換。

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.ByteOrder;

public class FloatEndianConversion {
    public static void main(String[] args) {
        float data = 123.45f;

        // 使用ByteBuffer進行端序轉換
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4); // 分配足夠的空間

        // 設置為小端序并寫入數據
        buffer.order(ByteOrder.LITTLE_ENDIAN);
        buffer.putFloat(data);

        // 翻轉到大端序并讀取數據
        buffer.flip(); // 準備從緩沖區讀取數據
        buffer.order(ByteOrder.BIG_ENDIAN);
        float bigEndian = buffer.getFloat();

        System.out.println("原float值: " + data);
        System.out.println("大端模式float值: " + bigEndian);
    }
}

浮點數的端序轉換，實際上并不需要改變其內部位的順序，IEEE 754標準定義了浮點數的格式，無論在哪個平臺上，只要按照該標準解釋，其值都是一致的。如果需要將浮點數以字節的形式存儲或傳輸，并希望接收方以不同的字節序解釋這些字節，那么就需要使用ByteBuffer進行轉換。

在C語言中，對于端序轉換，通常使用標準的庫函數，這些函數允許開發者在網絡字節序（大端序）和主機字節序之間進行轉換。網絡字節序是大端序，而主機字節序則取決于具體的硬件架構（可能是大端序或小端序）。

對于16位和32位整數，可以使用htons（host to network short）、ntohs（network to host short）、htonl（host to network long）和ntohl（network to host long）函數進行轉換。

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
    uint16_t short_host_order = 0x1234;
    uint32_t long_host_order = 0x12345678;

    // 轉換到網絡字節序（大端序）
    uint16_t short_net_order = htons(short_host_order);
    uint32_t long_net_order = htonl(long_host_order);

    // 轉換回主機字節序
    uint16_t short_back_to_host = ntohs(short_net_order);
    uint32_t long_back_to_host = ntohl(long_net_order);

    printf("Host order short: %04x\n", short_host_order);
    printf("Network order short: %04x\n", short_net_order);
    printf("Back to host order short: %04x\n", short_back_to_host);

    printf("Host order long: %08x\n", long_host_order);
    printf("Network order long: %08x\n", long_net_order);
    printf("Back to host order long: %08x\n", long_back_to_host);

    return 0;
}

對于浮點數，沒有直接的端序轉換函數，因為浮點數的表示包括指數和尾數部分，這些部分在內存中的存儲方式復雜。通常，一種解決方案是將浮點數轉換為整數類型（如uint32_t），然后進行端序轉換，再轉回浮點數。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
    float f = 123.45f;
    uint32_t *int_ptr;
    uint32_t int_val;
    float f_net, f_back;

    // 將浮點數轉換為整數
    memcpy(&int_val, &f, sizeof(f));

    // 轉換到網絡字節序
    int_val = htonl(int_val);

    // 將整數轉換回浮點數
    memcpy(&f_net, &int_val, sizeof(f_net));

    // 轉換回主機字節序
    int_val = ntohl(int_val);
    memcpy(&f_back, &int_val, sizeof(f_back));

    printf("Original float: %f\n", f);
    printf("Network order float: %f\n", f_net);
    printf("Back to host order float: %f\n", f_back);

    return 0;
}

示例中默認字節序是小端序。在實際應用中，可以通過__BYTE_ORDER__宏在GCC中檢查字節序，在需要時才進行端序轉換。對于浮點數的端序轉換，需要注意IEEE 754標準對浮點數表示的影響，以及不同平臺和編譯器可能產生的差異。

責任編輯：武曉燕來源：沐雨花飛蝶

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