序列化

在本节中，我们将使用与解析相同的包结构来展示序列化 - 以太网帧中的IPv4数据包中的TCP段。

序列化包括两个任务

• 首先，给定一个具有足够容量的缓冲区，以及已经序列化的一部分数据包，序列化数据包的下一层。例如，给定一个已经序列化TCP段的缓冲区，序列化IPv4头部，从而生成包含TCP段的自包含IPv4数据包。
• 其次，给定一个嵌套数据包序列的描述，确定缓冲区必须满足哪些约束才能容纳整个序列，并分配一个满足这些约束的缓冲区。然后，使用前一个项目所述的方法分层次序列化缓冲区。

将序列化到缓冲区中

PacketBuilder特质由能够将数据包的新层序列化到现有缓冲区的类型实现。例如，我们可以定义一个Ipv4PacketBuilder类型，它描述源IP地址、目的IP地址以及生成IPv4头部所需的其他元数据。重要的是，一个PacketBuilder不定义任何封装的数据包。为了在IPv4数据包中构建TCP段，我们需要一个单独的TcpSegmentBuilder来描述TCP段。

PacketBuilder通过constraints方法公开它需要的头部、尾部以及最小和最大主体长度。它通过serialize方法进行序列化。

为了序列化一个PacketBuilder，必须首先构建一个SerializeTarget。一个SerializeTarget是对用于序列化的缓冲区的视图，它使用正确的字节数初始化头部、尾部和主体。这些所需的字节数通过调用PacketBuilder的constraints方法来发现。

PacketBuilder的serialize方法将数据包的头部和尾部序列化到缓冲区中。它期望SerializeTarget已初始化为与将要封装的主体相等的主体。例如，假设我们正在尝试将TCP段序列化到IPv4数据包的以太网帧中，到目前为止，我们只序列化了TCP段

|-------------------------------------|++++++++++++++++++++|-----| TCP segment
|-----------------|++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++|-----| IPv4 packet
|++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++| Ethernet frame

|-------------------------------------|--------------------|-----|
                                            TCP segment

|-------------------------------------|--------------------|-----|
             buffer prefix                 buffer body       buffer suffix

注意，缓冲区的主体目前等于TCP段，主体的内容已初始化为段的内容。

给定一个Ipv4PacketBuilder，我们调用相应的方法来发现它需要20个字节来存储头部。因此，我们通过扩展主体20个字节来修改缓冲区，并构建一个SerializeTarget，其头部引用新添加的20个字节，而主体引用主体旧的内容，对应于TCP段。

|-------------------------------------|++++++++++++++++++++|-----| TCP segment
|-----------------|++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++|-----| IPv4 packet
|++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++| Ethernet frame

|-----------------|-------------------|--------------------|-----|
                       IPv4 header          IPv4 body
                            |                   |
                            +-----------+       |
                                        |       |
                     SerializeTarget { header, body }

|-----------------|----------------------------------------|-----|
   buffer prefix                 buffer body                 buffer suffix

然后我们将SerializeTarget传递给Ipv4PacketBuilder的serialize方法，它将IPv4头部序列化到提供的空间中。当serialize方法返回时，SerializeTarget和Ipv4PacketBuilder已被丢弃，而缓冲区的主体现在是IPv4数据包的字节。

|-------------------------------------|++++++++++++++++++++|-----| TCP segment
|-----------------|++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++|-----| IPv4 packet
|++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++| Ethernet frame

|-----------------|----------------------------------------|-----|
                                 IPv4 packet

|-----------------|----------------------------------------|-----|
   buffer prefix                 buffer body                 buffer suffix

现在，我们准备重复与数据包的以太网层相同的过程。

构建序列化缓冲区

既然我们已经知道如何给定一个包含已序列化数据包子集的缓冲区，我们可以序列化数据包的下一层，我们首先需要弄清楚如何构建这样的缓冲区。

这里的主要挑战是我们需要在实际序列化之前对我们的序列化内容做出承诺。例如，考虑将TCP段发送到网络。从我们代码的TCP模块的角度来看，我们不知道缓冲区需要多大，因为我们不知道TCP段将被封装在哪些数据包层中。如果IP层决定通过以太网链路路由我们的段，那么我们需要一个足够大的缓冲区来容纳以太网段中的IPv4数据包中的TCP段。另一方面，如果IP层决定通过GRE隧道路由我们的段，那么我们需要一个足够大的缓冲区来容纳以太网段中的IP数据包中的GRE数据包中的IPv4数据包中的TCP段。

我们通过Serializer特质来实现这种“先承诺再序列化”。一个Serializer描述了一个可以将来序列化的数据包，但尚未序列化。与PacketBuilder不同，一个Serializer描述了数据包的所有层，直到某个点。例如，一个Serializer可能描述一个TCP段，或者它可能描述一个IP数据包中的TCP段，或者它可能描述一个以太网帧中的IP数据包中的TCP段，等等。

构建一个 Serializer

Serializer 是递归的 - 一个 Serializer 与一个 PacketBuilder 结合会产生一个新的 Serializer，该 Serializer 描述了在新的数据包层中封装原始的 Serializer。例如，一个描述 TCP 数据段的 Serializer 与一个 Ipv4PacketBuilder 结合会产生一个描述 IPv4 数据包中 TCP 数据段的 Serializer。具体来说，给定一个 Serializer，s，和一个 PacketBuilder，b，可以通过调用 s.encapsulate(b) 构造一个新的 Serializer。该方法通过值消耗了 Serializer 和 PacketBuilder，并返回一个新的 Serializer。

请注意，虽然 Serializer 通过值传递，但它们在内存中的大小仅与它们所构建的 PacketBuilder 相当，而那些在大多数情况下应该相当小。如果大小是一个问题，可以为引用类型（例如，&Ipv4PacketBuilder）实现 PacketBuilder 特性，并传递引用而不是值。

从 Serializer 构建缓冲区

如果通过从最内层的包层开始并向外添加包层来构建 Serializer，那么为了将 Serializer 转换为缓冲区，它们是通过从最外层的包层开始并朝内消耗来构建的。

为了构建缓冲区，提供了一个 Serializer::serialize 方法。它接受一个 NestedPacketBuilder，它描述了一个或多个封装的包层。例如，当在以太网帧中序列化 IP 包中的 TCP 数据段时，IP 包 Serializer 的 serialize 调用将提供一个描述以太网帧的 NestedPacketBuilder。然后，这个调用将计算一个新的 NestedPacketBuilder，描述组合的 IP 包和以太网帧，并将其传递给 TCP 数据段 Serializer 上 serialize 的调用。

当到达最内层的 serialize 调用时，该调用的责任是生成满足其传递的约束条件的缓冲区，并用其数据包的内容初始化该缓冲区的主体。例如，前一个示例中的 TCP 数据段 Serializer 需要生成一个具有 38 字节前缀的缓冲区，用于 IP 和以太网头部，其主体被初始化为 TCP 数据段的字节。

现在我们可以看到Serializer和PacketBuilder是如何组合的——从serialize方法调用返回的缓冲区满足PacketBuilder::serialize方法的要求——其主体被初始化为要封装的报文，并且有足够的头和尾空间来序列化这一层的头部和尾部。例如，对TCP段序列化器上的Serializer::serialize的调用将返回一个前缀为38字节的缓冲区，主体被初始化为TCP段的字节。然后，对IP数据包上的Serializer::serialize的调用会将这个缓冲区传递给其Ipv4PacketBuilder上的PacketBuilder::serialize调用，从而得到一个前缀为18字节、主体被初始化为整个IP数据包字节的缓冲区。这个缓冲区随后将适合从Serializer::serialize的调用中返回，允许以太网层继续在缓冲区上操作，依此类推。

特别需要注意的是，在整个构建Serializer和PacketBuilder并消费它们的过程中，缓冲区只分配一次，并且每个数据包的字节只序列化一次。不需要临时缓冲区或缓冲区之间的复制。

重用缓冲区

Serializer特质的另一个重要属性是它可以由缓冲区实现。由于缓冲区包含前缀、主体和后缀，并且由于Serializer::serialize方法按值消耗Serializer并按值返回一个缓冲区，因此缓冲区本身就是一个有效的Serializer。当调用serialize时，只要它已经满足请求的约束，它可以简单地按值返回自身。如果约束不满足，它可能需要通过某种用户定义的机制生成不同的缓冲区（有关详细信息，请参阅BufferProvider特质）。

这使得在许多情况下可以重用现有的缓冲区。例如，考虑在缓冲区中接收一个数据包，然后对此数据包进行响应，使用一个新的数据包。可以重复使用存储原始数据包的缓冲区来序列化新数据包，从而避免不必要的分配。