技术干货：数据协议转换原理与应用

摘要

数据协议转换在异构系统之间的数据交换中发挥着至关重要的作用。随着信息技术的发展，各类设备、系统和软件采用不同的数据协议，导致数据传输存在兼容性问题。

本文详细探讨了数据协议转换的基本原理，包括协议解析、数据映射、协议封装与传输适配等关键步骤，并分析了数据协议转换的技术实现方法，如基于中间格式的转换、协议网关和动态协议适配技术。

最后，本文结合智能交通、物联网、工业自动化等领域的典型应用场景，探讨了数据协议转换的实际应用及发展趋势。

1. 引言

在信息化时代，不同的计算机系统、智能设备和软件应用通常采用各自的通信协议进行数据交换。然而，由于协议的不兼容性，数据在不同系统之间传输时往往面临解析失败、信息丢失或数据格式错误等问题。为解决这一挑战，数据协议转换技术应运而生，其核心目标是在不同协议之间进行数据的解析、转换和封装，以实现数据的无缝流转。

数据协议转换广泛应用于物联网、智能交通、工业自动化等领域。例如，在智能交通系统中，不同厂商的信号控制设备可能采用不同的数据协议，而数据协议转换可实现多种协议的互通，提升交通管理的智能化水平。此外，在工业自动化中，各种PLC（可编程逻辑控制器）和SCADA（数据采集与监控系统）往往使用不同的协议，协议转换可保证设备之间的有效通信。

以下是一个数据从仪表、设备到不同PLC，再到SCADA及数据上云的一个网络结构示意图

数据从物理层IO通信数据转换到信息层数据协议转换，本文将从数据协议转换的基本原理出发，探讨其实现方法，并分析在不同领域的典型应用，以期为相关研究提供参考。

2. 数据协议转换的原理

数据协议转换的基本原理主要包括以下几个关键步骤：

2.1 协议解析（Protocol Parsing）

协议解析是数据协议转换的第一步，其主要任务是对输入的数据流进行结构化处理，提取出有效信息。协议通常由头部（Header）、负载（Payload）和尾部（Footer）组成，解析过程主要包括：

• 识别协议格式，提取数据字段；
• 解析头部信息，获取数据长度、数据类型等元数据；
• 解析负载内容，提取具体的业务数据。

不同协议的解析方式可能存在较大差异，例如：

• JSON、XML 等文本格式协议可采用 DOM（文档对象模型）或 SAX（简单 API）解析；
• 二进制协议如 Modbus、Protobuf 则需要根据协议规范进行字节级解析。

如下图

2.2 数据映射（Data Mapping）

数据映射是协议转换的核心环节，其主要目标是将源协议的数据结构转换为目标协议的数据结构。通常，数据映射需要考虑以下几个方面：

• 字段匹配：不同协议可能使用不同的字段名称或结构，需要建立字段之间的映射关系。例如，在物联网设备之间转换协议时，一个设备的 temperature 字段可能需要映射到另一个设备的 temp 字段。
• 数据类型转换：不同协议可能使用不同的数据类型，例如 A 协议使用浮点数表示温度，而 B 协议使用整数表示温度，需要进行数据类型转换。
• 单位转换：不同协议可能使用不同的单位，如米（m）和英尺（ft），需要进行适当的换算。

2.3 协议封装（Protocol Encapsulation）

完成数据映射后，需要将转换后的数据按照目标协议的格式进行封装。协议封装通常包括：

• 添加协议头部信息：例如 TCP/IP 协议需要添加源 IP、目标 IP、端口号等信息。
• 计算校验和：某些协议（如 Modbus、CAN 总线）需要进行 CRC 校验，确保数据完整性。
• 封装为目标协议格式：如 JSON、XML 或二进制流。

2.4 传输适配（Transmission Adaptation）

数据协议转换不仅涉及数据格式的变化，还可能涉及传输方式的转换。例如：

• 串行通信（如 RS232、RS485）与网络通信（如 TCP/IP、MQTT）之间的转换；
• 基于消息队列（如 Kafka、RabbitMQ）的协议转换；
• 传统 HTTP REST API 与 WebSocket 之间的转换。

不同传输方式的转换需要适配数据打包方式、通信协议和数据可靠性保障机制。

如下图配置

3. 数据协议转换的技术实现

3.1 基于中间格式的转换

一种常见的协议转换方法是使用中间格式（Intermediate Format）作为桥梁。例如：

• 采用 JSON 作为中间格式，将各种协议的数据先转换为 JSON，再转换为目标协议；
• 使用通用建模语言（如 XML Schema 或 Google Protocol Buffers）进行结构化转换。

3.2 协议网关（Protocol Gateway）

协议网关是一种硬件或软件解决方案，专门用于不同协议之间的转换。例如：

• 物联网协议网关：用于 MQTT、CoAP、HTTP 之间的转换；
• 工业协议网关：用于 Modbus、OPC UA、BACnet 之间的转换；
• 车联网协议网关：用于 CAN、ISO 15118、V2X 之间的转换。

如以下协议网关，可以根据不同协议选择相应的协议，不同协议可能物理接口不同，从而存在相大的差距。

3.3 动态协议适配

某些情况下，协议转换需要动态适配，即能够根据运行环境和需求自动调整转换规则。例如：

• 基于 AI 的协议学习与转换，自动识别未定义的协议格式；
• 通过配置文件（YAML、XML）或规则引擎（Drools）动态修改转换逻辑。

4. 数据协议转换的应用

4.1 物联网（IoT）

在物联网中，不同设备厂商使用不同协议，如 MQTT、CoAP、LwM2M、HTTP 等。协议转换可以实现不同设备之间的互联互通。

4.2 智能交通

智能交通系统涉及多种通信协议，如 NTCIP、CAN、RSU-V2X 等。协议转换可实现信号灯、摄像头、交通监测设备的数据共享，提高交通管理效率。

4.3 工业自动化

在工业 4.0 时代，PLC、SCADA、DCS 等系统使用不同协议，如 Modbus、Profibus、EtherCAT。协议转换可实现不同自动化系统的互操作性。

数据协议转换模块的功能越来越强大，比如HMS旗下的FlexEdge产品，FlexEdge产品可以为客户提供一个物联网平台，集通信协议转换、数据采集、数据可视化、数据上云和本地存储等安全功能于一体，根据客户需求选择解锁硬件的功能，方便客户实现特定需求。

5. 发展趋势

未来，数据协议转换技术将朝着智能化、低延迟、高兼容性方向发展，主要趋势包括：

• 基于 AI 的自动协议解析与转换；
• 边缘计算设备上的实时协议转换；
• 跨行业标准协议（如 OPC UA）的普及。

6. 结论

数据协议转换是实现异构系统互联互通的关键技术，其核心原理包括协议解析、数据映射、协议封装和传输适配。当前，协议转换广泛应用于物联网、工业自动化和智能交通等领域，并且随着 AI 和边缘计算技术的发展，未来协议转换的智能化程度将进一步提升。