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Xmodem/Ymodem/Zmodem协议详解

2023-11-06

序

Xmodem、Ymodem和Zmodem协议是最常用的三种通信协议。

Xmodem协议是最早的，传输128字节信息块，之后也支持到1k的传输。

Ymodem是Xmodem的增强版协议。具有传输快速稳定的优点，它可以一次传输1024字节的信息块，同时还支持传输多个文件。传输过程中还会携带，文件名，大小，修改时间等信息。

文中所描述的内容都是基于 软件SecureCRT 中的传输来介绍的，不同串口软件这些协议的具体细节可能有差异，请注意！！！

对于同时支持128字节传输和1024字节进行传输的协议，在使用之前需要在软件SecureCRT中进行配置，如果勾选了1024bytes选项，那么在传输过程中，将使用1k的帧格式来进行传输。
在这里插入图片描述

CRC

X/Ymodem都支持使用CRC进行校验，至于CRC原理，网上很多讲的不错的，不再赘述，这里只讲一下使用。

modem协议族使用的是一个CRC算法（CRC-16/XMODEM）（Zmodem还没接触）

CRC算法名称 多项式公式 宽度 多项式 初始值 结果异或值 输入值反转 输出值反转
CRC-16/XMODEM x 16 + x 12 + x 5 + 1 x^{16} + x^{12} + x^{5} + 1 x16+x12+x5+1 16 1021 0000 0000 false false

用查表法的话，下面代码片段可以直接使用，crcGet函数的返回值即为校验值，是个16位的数，取值时候注意大小端。

const unsigned int crc_table[256] = {
    0x0000, 0x1021, 0x2042, 0x3063, 0x4084, 0x50a5, 0x60c6, 0x70e7,
    0x8108, 0x9129, 0xa14a, 0xb16b, 0xc18c, 0xd1ad, 0xe1ce, 0xf1ef,
    0x1231, 0x0210, 0x3273, 0x2252, 0x52b5, 0x4294, 0x72f7, 0x62d6,
    0x9339, 0x8318, 0xb37b, 0xa35a, 0xd3bd, 0xc39c, 0xf3ff, 0xe3de,
    0x2462, 0x3443, 0x0420, 0x1401, 0x64e6, 0x74c7, 0x44a4, 0x5485,
    0xa56a, 0xb54b, 0x8528, 0x9509, 0xe5ee, 0xf5cf, 0xc5ac, 0xd58d,
    0x3653, 0x2672, 0x1611, 0x0630, 0x76d7, 0x66f6, 0x5695, 0x46b4,
    0xb75b, 0xa77a, 0x9719, 0x8738, 0xf7df, 0xe7fe, 0xd79d, 0xc7bc,
    0x48c4, 0x58e5, 0x6886, 0x78a7, 0x0840, 0x1861, 0x2802, 0x3823,
    0xc9cc, 0xd9ed, 0xe98e, 0xf9af, 0x8948, 0x9969, 0xa90a, 0xb92b,
    0x5af5, 0x4ad4, 0x7ab7, 0x6a96, 0x1a71, 0x0a50, 0x3a33, 0x2a12,
    0xdbfd, 0xcbdc, 0xfbbf, 0xeb9e, 0x9b79, 0x8b58, 0xbb3b, 0xab1a,
    0x6ca6, 0x7c87, 0x4ce4, 0x5cc5, 0x2c22, 0x3c03, 0x0c60, 0x1c41,
    0xedae, 0xfd8f, 0xcdec, 0xddcd, 0xad2a, 0xbd0b, 0x8d68, 0x9d49,
    0x7e97, 0x6eb6, 0x5ed5, 0x4ef4, 0x3e13, 0x2e32, 0x1e51, 0x0e70,
    0xff9f, 0xefbe, 0xdfdd, 0xcffc, 0xbf1b, 0xaf3a, 0x9f59, 0x8f78,
    0x9188, 0x81a9, 0xb1ca, 0xa1eb, 0xd10c, 0xc12d, 0xf14e, 0xe16f,
    0x1080, 0x00a1, 0x30c2, 0x20e3, 0x5004, 0x4025, 0x7046, 0x6067,
    0x83b9, 0x9398, 0xa3fb, 0xb3da, 0xc33d, 0xd31c, 0xe37f, 0xf35e,
    0x02b1, 0x1290, 0x22f3, 0x32d2, 0x4235, 0x5214, 0x6277, 0x7256,
    0xb5ea, 0xa5cb, 0x95a8, 0x8589, 0xf56e, 0xe54f, 0xd52c, 0xc50d,
    0x34e2, 0x24c3, 0x14a0, 0x0481, 0x7466, 0x6447, 0x5424, 0x4405,
    0xa7db, 0xb7fa, 0x8799, 0x97b8, 0xe75f, 0xf77e, 0xc71d, 0xd73c,
    0x26d3, 0x36f2, 0x0691, 0x16b0, 0x6657, 0x7676, 0x4615, 0x5634,
    0xd94c, 0xc96d, 0xf90e, 0xe92f, 0x99c8, 0x89e9, 0xb98a, 0xa9ab,
    0x5844, 0x4865, 0x7806, 0x6827, 0x18c0, 0x08e1, 0x3882, 0x28a3,
    0xcb7d, 0xdb5c, 0xeb3f, 0xfb1e, 0x8bf9, 0x9bd8, 0xabbb, 0xbb9a,
    0x4a75, 0x5a54, 0x6a37, 0x7a16, 0x0af1, 0x1ad0, 0x2ab3, 0x3a92,
    0xfd2e, 0xed0f, 0xdd6c, 0xcd4d, 0xbdaa, 0xad8b, 0x9de8, 0x8dc9,
    0x7c26, 0x6c07, 0x5c64, 0x4c45, 0x3ca2, 0x2c83, 0x1ce0, 0x0cc1,
    0xef1f, 0xff3e, 0xcf5d, 0xdf7c, 0xaf9b, 0xbfba, 0x8fd9, 0x9ff8,
    0x6e17, 0x7e36, 0x4e55, 0x5e74, 0x2e93, 0x3eb2, 0x0ed1, 0x1ef0
};
unsigned short crcGet(unsigned char *ptr,int len)
{
    unsigned short crc = 0x0000;
    
    while(len--) 
    {
        crc = (crc << 8) ^ crc_table[(crc >> 8 ^ *ptr++) & 0xff];
    }
    
    return(crc);
}

Xmodem

1. xmodem的帧格式
xmodem传输只有文件内数据的传输，没有起始帧结束帧这些，且只能进行单个文件的传输。

xmodem的传输过程中，除了控制字符之外，因为帧长度不一致，格式一共会出现两种③
数据长度为128时，n < 128，格式如下：

SOH freamNum ① ~freamNum data[1] ~ data[n] pad[128-n] ~ pad[128] ② CRCH CRCL
01H 01H feH data[1] ~ data[n] pad[128-n] ~ pad[128] CRCH CRCL

数据长度为1024时，n < 1024，格式如下：

STX freamNum ① ~freamNum data[1] ~ data[n] pad[1024-n] ~ pad[1024] ② CRCH CRCL
02H 01H feH data[1] ~ data[n] pad[1024-n] ~ pad[1024] CRCH CRCL

①：字段为帧序号，第一个数据帧的序列号为01h。如果单个文件传输帧个数超出ffh大小时，重新从00h开始。

②：数据长度不足1024字节时补齐至帧长度，起始帧和结束帧补充00h，数据帧补充1Ah。

③：原理上帧格式由剩余数据长度来决定，如以1024传输时，如果剩余传输长度不足1024时，应发送用1ah补全的STX包。但是根据在CRT中测试，不足1024时则是拆成128字节的SOH包传输的。
2.会话传输过程

发送端 —> <— 接收端
‘C’
数据帧1
ACK
数据帧2
ACK
数据帧3
ACK
… … … …
数据帧n
ACK
EOT
NAK
EOT
ACK

3.实例

发送端 —> <— 接收端
43
01 01 FE 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 B4 A3
06
01 02 FE 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 B4 A3
06
01 03 FE 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 B4 A3
06
01 04 FE 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 B4 A3
06
01 05 FE 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 B4 A3
06
01 06 FE 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 B4 A3
06
01 07 FE 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 B4 A3
06
01 08 FE 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
31 31 31 B4 A3
06
04
15
04
06

Ymodem

平常所说的Ymodem协议是指的Ymodem-1K，除此还有Ymodem-g（没有CRC校验，不常用）。

YModem-1K用1024字节信息块传输取代标准的128字节传输，数据的发送回使用CRC校验，保证数据传输的正确性。它每传输一个信息块数据时，就会等待接收端回应ACK信号，接收到回应后，才会继续传输下一个信息块，保证数据已经全部接收。

在这里插入图片描述

1. ymodem的帧格式

YModem的传输过程中，除了控制字符之外，因为帧长度不一致，格式一共会出现两种③
数据长度为128时，n < 128，格式如下：

SOH freamNum ① ~freamNum data[1] ~ data[n] pad[128-n] ~ pad[128] ② CRCH CRCL
01H 01H feH data[1] ~ data[n] pad[128-n] ~ pad[128] CRCH CRCL

数据长度为1024时，n < 1024，格式如下：

STX freamNum ① ~freamNum data[1] ~ data[n] pad[1024-n] ~ pad[1024] ② CRCH CRCL
02H 01H feH data[1] ~ data[n] pad[1024-n] ~ pad[1024] CRCH CRCL

①：字段为帧序号，起始帧和结束帧为00h。如果单个文件传输帧个数超出ffh大小时，从新从00h开始，而不是以01h开始，因为起始帧也算在帧计数当中。

②：数据长度不足1024字节时补齐至帧长度，起始帧和结束帧补充00h，数据帧补充1Ah。

③：原理上帧格式由剩余数据长度来决定，如以1024传输时，如果剩余传输长度不足1024时，应发送用1ah补全的STX包。但是根据在CRT中测试，不足1024时则是拆成128字节的SOH包传输的，这样也是被允许的，因为ymodem要求接收端能同时兼容接收STX与SOH的帧。

2.起始帧和结束帧

起始帧-----------------------------------------------------------------------------------------------------
在CRT中使用Ymodem传输，起始帧大小根据端口配置的传输大小决定，如果使用1k传输则起始帧长度为1024 + 5（帧头帧尾），如果使用128传输则起始帧长度为128 + 5（帧头帧尾）。

帧头中包含多个字段，这样设计目的是允许添加额外的包头字段，而不产生与旧字段的兼容性问题，但是这样会导致不同串口软件的兼容性出现问题，本文中以CRT为准，超级终端、Xshell等其他串口软件好像只有文件名和文件大小两个字段（未求证，评论区可留言）。

可选项前面用20h与前一字段隔开。

文件名 文件大小 文件最后修改时间 文件模式 序列号 自定义
31 31 31 2E 74 78 74 00 31 30 32 34 20 31 34 32 33 35 32 33 34 30 37 30 20 30 暂无 暂无

  1. 第一块是文件名16进制数转为ascii码即为文件名字， 31 31 31 2E 74 78 74转换后得111.txt。

  2. 第二块是文件大小16进制数转为ascii码即为文件大小(字节），31 30 32 34转换后得1024 bytes。

  3. 第三块是文件修改日期（可选项），使用这种标准格式是为了消除由于在不同时区之间传输而产生的歧义。
    16进制数转为ascii码后，再将此acsii码当作8进制转换成10进制便得到文件的修改时间（自 1970 年 1 月 1 日（00:00:00 GMT）以来的秒数），之后便可以转换为各个地区时间。
    31 34 32 33 35 32 33 34 30 37 30 转换后得 14 235 234 070(8进制)
    再转换后得 1,651,849,272秒（10进制）最后可转换后得 2022-05-06 23:01:12（北京时间）。
    如果日期为0，那么表示修改日期未知，应该保留为文件收到的日期。

  4. 文件模式（从这个开始往下都不太清楚，也没有用到，有了解的可以评论解答一下）
    如果文件模式被发送，一个空格将文件模式和修改日期分开。文件模式以八进制字符串的形式存储。除非文件源自Unix系统，否则文件模式设置为0。接收批处理(1)检查文件模式中是否有表示Unix类型的0x8000位常规文件。具有0x8000位集的文件被假定是从另一个Unix(或类似的)系统使用相同的文件约定。这些文件在任何方式不会被翻译。

  5. 序列号
    如果发送了序列号，则序列号与文件模式之间用一个空格隔开。传输程序的序列号被存储为一个八进制字符串。没有序列号的程序应该省略该字段，或者将其设置为0。接收方对该字段的使用是可选的。

结束帧-----------------------------------------------------------------------------------------------------
结束帧本质上结构与起始帧一致，如果传输时检查文件名位置，数据为00h既文件名为空，则说明整个会话已经结束，接收到的是结束帧

文件名 文件大小 文件最后修改时间 文件模式 序列号 自定义
00 30 20 30 20 30 暂无 暂无

3.会话传输过程

文件的传输过程，注意：数据帧n(文件内容末尾)根据剩余字节长度决定帧格式(主要是帧头和长度)

发送端 —> <— 接收端
‘C’
标号：多文件续传
起始帧
ACK
‘C’
数据帧1
ACK
数据帧2
ACK
数据帧3
ACK
… … … …
数据帧n
ACK
EOT
NAK
EOT
ACK
‘C’
如果还有文件待发送，上面应答ACK和'C'后，
跳转到上面的多文件续传标号位置
等待发送端回复起始帧，
否则发送端回复结束帧，传输结束
结束帧
ACK

4.实例

发送端 —> <— 接收端
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CRT存在的问题

  1. 测试时候发现，CRT在传输多个文件时，只有第一个文件会使用数据为长度为1024字节的包传输数据，当第二个文件开始，所有的传输（包括起始包）将转为数据为128字节的包传输数据，导致降速。
    在这里插入图片描述
    上图为用两个CRT客户端测试发送多个文件，由于第二个时间比较长，所以没有跑完，不过上面的速度都是已经稳定的。可以看出来第一个文件和第二个文件的传输速度相差了大概10倍。
  2. 使用CRT向目标机发送文件时，这个会话无法由接收端结束，如果接收端接收错误或者不想接收了，没办法通过发送控制字符使CRT停止发送并切换回正常状态，而ymodem的协议要求连续4次的停止发送请求可以停止会话。

Zmodem

之后再填坑

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串口通信

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