Come risolveresti questo problema di analisi dei dati?
https://stackoverflow.com/questions/819036
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03-07-2019 - |
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Questa è una domanda piuttosto lunga, quindi per favore spoglia con me.
Stiamo implementando un emulatore per un componente hardware che è stato sviluppato allo stesso tempo. L'idea è di dare a terzi una soluzione software per testare il software client e fornire l'hardware gli sviluppatori un punto di riferimento per implementare il loro firmware.
Le persone che hanno scritto il protocollo per l'hardware hanno usato un'usanza versione di SUN XDR chiamata INCA_XDR. È uno strumento per serializzare e deserializzare i messaggi. È scritto in C e vogliamo evitarlo codice nativo, quindi stiamo analizzando i dati del protocollo manualmente.
Il protocollo è per natura piuttosto complesso e i pacchetti di dati può avere molte strutture diverse, ma ha sempre la stessa struttura globale:
[HEAD] [INTRO] [DATA] [TAIL]
[HEAD] =
byte sync 0x03
byte length X [MSB] X = length of [HEADER] + [INTRO] + [DATA]
byte length X [LSB] X = length of [HEADER] + [INTRO] + [DATA]
byte check X [MSB] X = crc of [INTRO] [DATA]
byte check X [LSB] X = crc of [INTRO] [DATA]
byte headercheck X X = XOR over [SYNC] [LENGTH] [CHECK]
[INTRO]
byte version 0x03
byte address X X = 0 for point-to-point, 1-254 for specific controller, 255 = broadcast
byte sequence X X = sequence number
byte group X [MSB] X = The category of the message
byte group X [LSB] X = The category of the message
byte type X [MSB] X = The id of the message
byte type X [LSB] X = The id of the message
[DATA] =
The actuall data for the specified message,
this format really differs a lot.
It always starts with a DRCode which is one byte.
It more or less specifies the general structure of
the data, but even within the same structure the data
can mean many different things and have different lenghts.
(I think this is an artifact of the INCA_XDR tool)
[TAIL] =
byte 0x0D
Come puoi vedere ci sono molti dati generali, ma questo è perché il protocollo deve funzionare sia con RS232 (punto-multipunto) sia con TCP / IP (p2p).
name size value
drcode 1 1
name 8 contains a name that can be used as a file name (only alphanumeric characters allowed)
timestamp 14 yyyymmddhhmmss contains timestamp of bitmap library
size 4 size of bitmap library to be loaded
options 1 currently no options
Oppure potrebbe avere una struttura completamente diversa:
name size value
drcode 1 2
lastblock 1 0 - 1 1 indicates last block. Firmware can be stored
blocknumber 2 Indicates block of firmware
blocksize 2 N size of block to load
blockdata N data of block of firmware
A volte è solo un DRCode e nessun dato aggiuntivo.
In base al gruppo e al campo del tipo, l'emulatore deve eseguire determinate azioni. Quindi prima guardiamo quelli due campi e in base a ciò sappiamo cosa aspettarci dai dati e analizzarlo correttamente.
Quindi è necessario generare i dati di risposta che hanno di nuovo molte diverse strutture di dati. Alcuni messaggi generano semplicemente un messaggio ACK o NACK, mentre altri generano una risposta reale con i dati.
Abbiamo deciso di spezzare le cose in piccoli pezzi.
Prima di tutto c'è IDataProcessor.
Le classi che implementano questa interfaccia sono responsabili per la convalida di dati non elaborati e la generazione di istanze della classe Message. Non sono responsabili della comunicazione, vengono semplicemente passati un byte []
Convalida dei dati grezzi significa controllare l'intestazione per errori di checksum, crc e lunghezza.
Il messaggio risultante viene passato a una classe che implementa IMessageProcessor. Anche se i dati non elaborati sono stati considerati non validi, poiché IDataProcessor non ha nozione di messaggi di risposta o qualsiasi altra cosa, tutto ciò che fa è validare i dati grezzi.
Per informare IMessageProcessor sugli errori, sono state aggiunte alcune proprietà aggiuntive alla classe Message:
bool nakError = false;
bool tailError = false;
bool crcError = false;
bool headerError = false;
bool lengthError = false;
Non sono correlati al protocollo ed esistono solo per il processore IMessage
L'IMessageProcessor è il luogo in cui viene svolto il vero lavoro. A causa di tutti i diversi gruppi di messaggi e tipi che ho deciso di fare usare F # per implementare l'interfaccia IMessageProcessor perché la corrispondenza del modello sembrava un buon modo per evitare molte dichiarazioni nidificate se / else e casta. (Non ho alcuna esperienza precedente con F # o anche con linguaggi funzionali diversi da LINQ e SQL)
IMessageProcessor analizza i dati e decide quali metodi chiamare sul controller IHardware. Potrebbe sembrare ridondante avere IHardwareController, ma vogliamo essere in grado di scambiarlo con un'implementazione diversa e non essere costretto a usare F #. L'attuale implementazione è una finestra WPF, ma potrebbe essere una finestra di Cocoa # o semplicemente una console, ad esempio.
IHardwareController è anche responsabile della gestione dello stato perché gli sviluppatori dovrebbero essere in grado di manipolare i parametri hardware e gli errori attraverso l'interfaccia utente.
Quindi, una volta che IMessageProcessor ha chiamato i metodi corretti su IHardwareController, deve generare la risposta MEssage. Ancora una volta ... i dati in questi messaggi di risposta può avere molte strutture diverse.
Alla fine viene utilizzato un IDataFactory per convertire il messaggio in dati di protocollo non elaborati pronto per essere inviato a qualunque classe sia responsabile della comunicazione. (Ad esempio potrebbe essere necessario un ulteriore incapsulamento dei dati)
Questo non è niente di "difficile" sulla scrittura di questo codice, ma tutti i diversi i comandi e le strutture dati richiedono un sacco di codice e ce ne sono pochi cose che possiamo riutilizzare. (Almeno per quanto posso vedere ora, sperando che qualcuno possa dimostrarmi che mi sbaglio)
Questa è la prima volta che utilizzo F #, quindi in realtà sto imparando mentre vado. Il codice seguente è tutt'altro che finito e probabilmente sembra un casino gigantesco. Implementa solo una manciata di tutti i messaggi nel protocollo e posso dirti che ce ne sono molti. Quindi questo file diventerà enorme!
Importante da sapere: l'ordine dei byte è invertito sul filo (motivi storici)
module Arendee.Hardware.MessageProcessors
open System;
open System.Collections
open Arendee.Hardware.Extenders
open Arendee.Hardware.Interfaces
open System.ComponentModel.Composition
open System.Threading
open System.Text
let VPL_NOERROR = (uint16)0
let VPL_CHECKSUM = (uint16)1
let VPL_FRAMELENGTH = (uint16)2
let VPL_OUTOFSEQUENCE = (uint16)3
let VPL_GROUPNOTSUPPORTED = (uint16)4
let VPL_REQUESTNOTSUPPORTED = (uint16)5
let VPL_EXISTS = (uint16)6
let VPL_INVALID = (uint16)7
let VPL_TYPERROR = (uint16)8
let VPL_NOTLOADING = (uint16)9
let VPL_NOTFOUND = (uint16)10
let VPL_OUTOFMEM = (uint16)11
let VPL_INUSE = (uint16)12
let VPL_SIZE = (uint16)13
let VPL_BUSY = (uint16)14
let SYNC_BYTE = (byte)0xE3
let TAIL_BYTE = (byte)0x0D
let MESSAGE_GROUP_VERSION = 3uy
let MESSAGE_GROUP = 701us
[<Export(typeof<IMessageProcessor>)>]
type public StandardMessageProcessor() = class
let mutable controller : IHardwareController = null
interface IMessageProcessor with
member this.ProcessMessage m : Message =
printfn "%A" controller.Status
controller.Status <- ControllerStatusExtender.DisableBit(controller.Status,ControllerStatus.Nak)
match m with
| m when m.LengthError -> this.nakResponse(m,VPL_FRAMELENGTH)
| m when m.CrcError -> this.nakResponse(m,VPL_CHECKSUM)
| m when m.HeaderError -> this.nakResponse(m,VPL_CHECKSUM)
| m -> this.processValidMessage m
| _ -> null
member public x.HardwareController
with get () = controller
and set y = controller <- y
end
member private this.processValidMessage (m : Message) =
match m.Intro.MessageGroup with
| 701us -> this.processDefaultGroupMessage(m);
| _ -> this.nakResponse(m, VPL_GROUPNOTSUPPORTED);
member private this.processDefaultGroupMessage(m : Message) =
match m.Intro.MessageType with
| (1us) -> this.firmwareVersionListResponse(m) //ListFirmwareVersions 0
| (2us) -> this.StartLoadingFirmwareVersion(m) //StartLoadingFirmwareVersion 1
| (3us) -> this.LoadFirmwareVersionBlock(m) //LoadFirmwareVersionBlock 2
| (4us) -> this.nakResponse(m, VPL_FRAMELENGTH) //RemoveFirmwareVersion 3
| (5us) -> this.nakResponse(m, VPL_FRAMELENGTH) //ActivateFirmwareVersion 3
| (12us) -> this.nakResponse(m,VPL_FRAMELENGTH) //StartLoadingBitmapLibrary 2
| (13us) -> this.nakResponse(m,VPL_FRAMELENGTH) //LoadBitmapLibraryBlock 2
| (21us) -> this.nakResponse(m, VPL_FRAMELENGTH) //ListFonts 0
| (22us) -> this.nakResponse(m, VPL_FRAMELENGTH) //LoadFont 4
| (23us) -> this.nakResponse(m, VPL_FRAMELENGTH) //RemoveFont 3
| (24us) -> this.nakResponse(m, VPL_FRAMELENGTH) //SetDefaultFont 3
| (31us) -> this.nakResponse(m, VPL_FRAMELENGTH) //ListParameterSets 0
| (32us) -> this.nakResponse(m, VPL_FRAMELENGTH) //LoadParameterSets 4
| (33us) -> this.nakResponse(m, VPL_FRAMELENGTH) //RemoveParameterSet 3
| (34us) -> this.nakResponse(m, VPL_FRAMELENGTH) //ActivateParameterSet 3
| (35us) -> this.nakResponse(m, VPL_FRAMELENGTH) //GetParameterSet 3
| (41us) -> this.nakResponse(m, VPL_FRAMELENGTH) //StartSelfTest 0
| (42us) -> this.returnStatus(m) //GetStatus 0
| (43us) -> this.nakResponse(m, VPL_FRAMELENGTH) //GetStatusDetail 0
| (44us) -> this.ResetStatus(m) //ResetStatus 5
| (45us) -> this.nakResponse(m, VPL_FRAMELENGTH) //SetDateTime 6
| (46us) -> this.nakResponse(m, VPL_FRAMELENGTH) //GetDateTime 0
| _ -> this.nakResponse(m, VPL_REQUESTNOTSUPPORTED)
(* The various responses follow *)
//Generate a NAK response
member private this.nakResponse (message : Message , error) =
controller.Status <- controller.Status ||| ControllerStatus.Nak
let intro = new MessageIntro()
intro.MessageGroupVersion <- MESSAGE_GROUP_VERSION
intro.Address <- message.Intro.Address
intro.SequenceNumber <- this.setHigh(message.Intro.SequenceNumber)
intro.MessageGroup <- MESSAGE_GROUP
intro.MessageType <- 130us
let errorBytes = UShortExtender.ToIntelOrderedByteArray(error)
let data = Array.zero_create(5)
let x = this.getStatusBytes
let y = this.getStatusBytes
data.[0] <- 7uy
data.[1..2] <- this.getStatusBytes
data.[3..4] <- errorBytes
let header = this.buildHeader intro data
let message = new Message()
message.Header <- header
message.Intro <- intro
message.Tail <- TAIL_BYTE
message.Data <- data
message
//Generate an ACK response
member private this.ackResponse (message : Message) =
let intro = new MessageIntro()
intro.MessageGroupVersion <- MESSAGE_GROUP_VERSION
intro.Address <- message.Intro.Address
intro.SequenceNumber <- this.setHigh(message.Intro.SequenceNumber)
intro.MessageGroup <- MESSAGE_GROUP
intro.MessageType <- 129us
let data = Array.zero_create(3);
data.[0] <- 0x05uy
data.[1..2] <- this.getStatusBytes
let header = this.buildHeader intro data
message.Header <- header
message.Intro <- intro
message.Tail <- TAIL_BYTE
message.Data <- data
message
//Generate a ReturnFirmwareVersionList
member private this.firmwareVersionListResponse (message : Message) =
//Validation
if message.Data.[0] <> 0x00uy then
this.nakResponse(message,VPL_INVALID)
else
let intro = new MessageIntro()
intro.MessageGroupVersion <- MESSAGE_GROUP_VERSION
intro.Address <- message.Intro.Address
intro.SequenceNumber <- this.setHigh(message.Intro.SequenceNumber)
intro.MessageGroup <- MESSAGE_GROUP
intro.MessageType <- 132us
let firmwareVersions = controller.ReturnFirmwareVersionList();
let firmwareVersionBytes = BitConverter.GetBytes((uint16)firmwareVersions.Count) |> Array.rev
//Create the data
let data = Array.zero_create(3 + (int)firmwareVersions.Count * 27)
data.[0] <- 0x09uy //drcode
data.[1..2] <- firmwareVersionBytes //Number of firmware versions
let mutable index = 0
let loops = firmwareVersions.Count - 1
for i = 0 to loops do
let nameBytes = ASCIIEncoding.ASCII.GetBytes(firmwareVersions.[i].Name) |> Array.rev
let timestampBytes = this.getTimeStampBytes firmwareVersions.[i].Timestamp |> Array.rev
let sizeBytes = BitConverter.GetBytes(firmwareVersions.[i].Size) |> Array.rev
data.[index + 3 .. index + 10] <- nameBytes
data.[index + 11 .. index + 24] <- timestampBytes
data.[index + 25 .. index + 28] <- sizeBytes
data.[index + 29] <- firmwareVersions.[i].Status
index <- index + 27
let header = this.buildHeader intro data
message.Header <- header
message.Intro <- intro
message.Data <- data
message.Tail <- TAIL_BYTE
message
//Generate ReturnStatus
member private this.returnStatus (message : Message) =
//Validation
if message.Data.[0] <> 0x00uy then
this.nakResponse(message,VPL_INVALID)
else
let intro = new MessageIntro()
intro.MessageGroupVersion <- MESSAGE_GROUP_VERSION
intro.Address <- message.Intro.Address
intro.SequenceNumber <- this.setHigh(message.Intro.SequenceNumber)
intro.MessageGroup <- MESSAGE_GROUP
intro.MessageType <- 131us
let statusDetails = controller.ReturnStatus();
let sizeBytes = BitConverter.GetBytes((uint16)statusDetails.Length) |> Array.rev
let detailBytes = ASCIIEncoding.ASCII.GetBytes(statusDetails) |> Array.rev
let data = Array.zero_create(statusDetails.Length + 5)
data.[0] <- 0x08uy
data.[1..2] <- this.getStatusBytes
data.[3..4] <- sizeBytes //Details size
data.[5..5 + statusDetails.Length - 1] <- detailBytes
let header = this.buildHeader intro data
message.Header <- header
message.Intro <- intro
message.Data <- data
message.Tail <- TAIL_BYTE
message
//Reset some status bytes
member private this.ResetStatus (message : Message) =
if message.Data.[0] <> 0x05uy then
this.nakResponse(message, VPL_INVALID)
else
let flagBytes = message.Data.[1..2] |> Array.rev
let flags = Enum.ToObject(typeof<ControllerStatus>,BitConverter.ToInt16(flagBytes,0)) :?> ControllerStatus
let retVal = controller.ResetStatus flags
if retVal <> 0x00us then
this.nakResponse(message,retVal)
else
this.ackResponse(message)
//StartLoadingFirmwareVersion (Ack/Nak)
member private this.StartLoadingFirmwareVersion (message : Message) =
if (message.Data.[0] <> 0x01uy) then
this.nakResponse(message, VPL_INVALID)
else
//Analyze the data
let name = message.Data.[1..8] |> Array.rev |> ASCIIEncoding.ASCII.GetString
let text = message.Data.[9..22] |> Array.rev |> Seq.map(fun x -> ASCIIEncoding.ASCII.GetBytes(x.ToString()).[0]) |> Seq.to_array |> ASCIIEncoding.ASCII.GetString
let timestamp = DateTime.ParseExact(text,"yyyyMMddHHmmss",Thread.CurrentThread.CurrentCulture)
let size = BitConverter.ToUInt32(message.Data.[23..26] |> Array.rev,0)
let overwrite =
match message.Data.[27] with
| 0x00uy -> false
| _ -> true
//Create a FirmwareVersion instance
let firmware = new FirmwareVersion();
firmware.Name <- name
firmware.Timestamp <- timestamp
firmware.Size <- size
let retVal = controller.StartLoadingFirmwareVersion(firmware,overwrite)
if retVal <> 0x00us then
this.nakResponse(message, retVal) //The controller denied the request
else
this.ackResponse(message);
//LoadFirmwareVersionBlock (ACK/NAK)
member private this.LoadFirmwareVersionBlock (message : Message) =
if message.Data.[0] <> 0x02uy then
this.nakResponse(message, VPL_INVALID)
else
//Analyze the data
let lastBlock =
match message.Data.[1] with
| 0x00uy -> false
| _true -> true
let blockNumber = BitConverter.ToUInt16(message.Data.[2..3] |> Array.rev,0)
let blockSize = BitConverter.ToUInt16(message.Data.[4..5] |> Array.rev,0)
let blockData = message.Data.[6..6 + (int)blockSize - 1] |> Array.rev
let retVal = controller.LoadFirmwareVersionBlock(lastBlock, blockNumber, blockSize, blockData)
if retVal <> 0x00us then
this.nakResponse(message, retVal)
else
this.ackResponse(message)
(* Helper methods *)
//We need to convert the DateTime instance to a byte[] understood by the device "yyyymmddhhmmss"
member private this.getTimeStampBytes (date : DateTime) =
let stringNumberToByte s = Byte.Parse(s.ToString()) //Casting to (byte) would give different results
let yearString = date.Year.ToString("0000")
let monthString = date.Month.ToString("00")
let dayString = date.Day.ToString("00")
let hourString = date.Hour.ToString("00")
let minuteString = date.Minute.ToString("00")
let secondsString = date.Second.ToString("00")
let y1 = stringNumberToByte yearString.[0]
let y2 = stringNumberToByte yearString.[1]
let y3 = stringNumberToByte yearString.[2]
let y4 = stringNumberToByte yearString.[3]
let m1 = stringNumberToByte monthString.[0]
let m2 = stringNumberToByte monthString.[1]
let d1 = stringNumberToByte dayString.[0]
let d2 = stringNumberToByte dayString.[1]
let h1 = stringNumberToByte hourString.[0]
let h2 = stringNumberToByte hourString.[1]
let min1 = stringNumberToByte minuteString.[0]
let min2 = stringNumberToByte minuteString.[1]
let s1 = stringNumberToByte secondsString.[0]
let s2 = stringNumberToByte secondsString.[1]
[| y1 ; y2 ; y3 ; y4 ; m1 ; m2 ; d1 ; d2 ; h1 ; h2 ; min1 ; min2 ; s1; s2 |]
//Sets the high bit of a byte to 1
member private this.setHigh (b : byte) : byte =
let array = new BitArray([| b |])
array.[7] <- true
let mutable converted = [| 0 |]
array.CopyTo(converted, 0);
(byte)converted.[0]
//Build the header of a Message based on Intro + Data
member private this.buildHeader (intro : MessageIntro) (data : byte[]) =
let headerLength = 7;
let introLength = 7;
let length = (uint16)(headerLength + introLength + data.Length)
let crcData = ByteArrayExtender.Concat(intro.GetRawData(),data)
let crcValue = ByteArrayExtender.CalculateCRC16(crcData)
let lengthBytes = UShortExtender.ToIntelOrderedByteArray(length);
let crcValueBytes = UShortExtender.ToIntelOrderedByteArray(crcValue);
let headerChecksum = (byte)(SYNC_BYTE ^^^ lengthBytes.[0] ^^^ lengthBytes.[1] ^^^ crcValueBytes.[0] ^^^ crcValueBytes.[1])
let header = new MessageHeader();
header.Sync <- SYNC_BYTE
header.Length <- length
header.HeaderChecksum <- headerChecksum
header.DataChecksum <- crcValue
header
member private this.getStatusBytes =
let l = controller.Status
let status = (uint16)controller.Status
let statusBytes = BitConverter.GetBytes(status);
statusBytes |> Array.rev
end
(Nota: nella fonte reale, le classi hanno nomi diversi, più specifici di " Hardware ")
Spero in suggerimenti, modi per migliorare il codice o anche modi diversi per gestire il problema. Ad esempio, l'uso di un linguaggio dinamico come IronPython faciliterebbe le cose, sto andando nella direzione sbagliata tutti insieme. Qual è la tua esperienza con problemi come questo, cosa vorresti cambiare, evitare, ecc ....
Aggiornamento:
Sulla base della risposta di Brian, ho scritto quanto segue:
type DrCode9Item = {Name : string ; Timestamp : DateTime ; Size : uint32; Status : byte}
type DrCode11Item = {Id : byte ; X : uint16 ; Y : uint16 ; SizeX : uint16 ; SizeY : uint16
Font : string ; Alignment : byte ; Scroll : byte ; Flash : byte}
type DrCode12Item = {Id : byte ; X : uint16 ; Y : uint16 ; SizeX : uint16 ; SizeY : uint16}
type DrCode14Item = {X : byte ; Y : byte}
type DRType =
| DrCode0 of byte
| DrCode1 of byte * string * DateTime * uint32 * byte
| DrCode2 of byte * byte * uint16 * uint16 * array<byte>
| DrCode3 of byte * string
| DrCode4 of byte * string * DateTime * byte * uint16 * array<byte>
| DrCode5 of byte * uint16
| DrCode6 of byte * DateTime
| DrCode7 of byte * uint16 * uint16
| DrCode8 of byte * uint16 * uint16 * uint16 * array<byte>
| DrCode9 of byte * uint16 * array<DrCode9Item>
| DrCode10 of byte * string * DateTime * uint32 * byte * array<byte>
| DrCode11 of byte * array<DrCode11Item>
| DrCode12 of byte * array<DrCode12Item>
| DrCode13 of byte * uint16 * byte * uint16 * uint16 * string * byte * byte
| DrCode14 of byte * array<DrCode14Item>
Potrei continuare a farlo per tutti i tipi di DR (un bel po '), ma ancora non capisco come mi possa aiutare. ho letto su Wikibooks e in Foundations of F # ma qualcosa non mi sta ancora facendo clic nella testa.
Aggiornamento 2
Quindi, capisco che potrei fare quanto segue:
let execute dr =
match dr with
| DrCode0(drCode) -> printfn "Do something"
| DrCode1(drCode, name, timestamp, size, options) -> printfn "Show the size %A" size
| _ -> ()
let date = DateTime.Now
let x = DrCode1(1uy,"blabla", date, 100ul, 0uy)
Ma quando il messaggio entra in IMessageProcessor, la scelta è fatta proprio lì che tipo di messaggio è e viene quindi chiamata la funzione corretta. Quanto sopra sarebbe giusto essere codice aggiuntivo, almeno così è come capirlo, quindi devo davvero perdere il punto qui ... ma non lo vedo.
execute x
Soluzione
Penso che F # sia una misura naturale per rappresentare i messaggi in questo dominio tramite sindacati discriminati; Sto immaginando ad esempio
type Message =
| Message1 of string * DateTime * int * byte //name,timestamp,size,options
| Message2 of bool * short * short * byte[] //last,blocknum,blocksize,data
...
insieme ai metodi per analizzare / annullare l'analisi dei messaggi da / verso un array di byte. Come dici tu, questo lavoro è semplice, noioso.
Sono meno chiaro sull'elaborazione dei messaggi, ma nel complesso in base alla tua descrizione sembra che tu abbia un handle su di esso.
Sono un po 'preoccupato per la tua "flessibilità degli strumenti": quali sono i tuoi vincoli? (ad es. .Net, deve essere gestito da programmatori che conoscono le tecnologie X, Y, Z, devono soddisfare determinati criteri perf, ...)
Altri suggerimenti
Ecco i miei 2 centesimi (avvertenza: non conosco F #): hai un file di input finemente specificato, anche con una grammatica completa. Si desidera mappare il contenuto del file alle azioni. Pertanto, ti suggerisco di analizzare il file. Essendo un linguaggio funzionale, potrebbe adattarsi alla tecnica di analisi chiamata Analisi ricorsiva della discesa . Il libro" Expert F # " contiene una discussione sull'analisi ricorsiva della discesa.
