学习资料：ASN.1编码规则详解
一.简介
ASN.1(Abstract Syntax Notation dotone),抽象语法标记1。是定义抽象数据类型形式的标准,是用于描述数据表示、表示、传输、编码的记法。
ASN.1只包含信息结构，不处理具体业务数据，它不是一个编程语言。
ASN.1没有限定编码方法，各种ASN.1编码规则提供了由ASN.1描述其抽象句法的数据的值的传送语法（具体表达），常见的编码规则有：基本编码规则(BER),规范编码规则（CER，CanonicalEncoding Rules）、唯一编码规则（DER，DistinguishedEncoding Rules）、压缩编码规则（PER，PackedEncoding Rules）和XML编码规则（XER，XMLEncoding Rules）。这些编码规则描述了如何将定义在ASN.1中的值译成适合传输的电码。
ASN.1在OSI的ISO8824/ITU X.208（说明语法）和ISO8825/ITU X.209（说明基本编码规则）规范。
几个概念：
(1)实际语法
指诸如C、ObjectiveCaml等这样实际编程语言；
(2)抽象语法（AbstractSyntax）
指ASN.1，是协议采用ASN.1规范描述的描述文本。描绘了与任何表示数据的编码技术无关的通用数据结构。抽象语法使得人们能够定义数据类型，并指明这些类型的值。抽象语法只描述数据的结构形式，与具体的编码格式无关，同时也不涉及这些数据结构在计算机内如何存放。
(3)传输语法（TransferSyntax）
指表示层交换数据的表示方法，是实际通讯系统间的码流。当数据在两个表示层实体之间传输时，这些数据的实际比特模式表示方法就是传送语法。
(4)编码
指将抽象语言法转换成实际通讯系统间比特流;
(5)编码规则
将抽象语言法转换成实际通讯系统间比特流所遵循的语法规则;
二.相关背景知识
1.为了顺利完成应用音的通讯，需使用以下概念：
(1)抽象语法：定义了数据的常用结构（包括不同的数据类型），并且建立了和应用层对话所用的构架。
(2)实际语法：本地的，并且定义本地系统的数据表示方法。
(3)传输语法：定义两个系统间的表示层间交换数据的表示方法。
(4)编码规则：提供从本地实际语法到传输语法和其相反操作的方法。(从抽象语法到传输语法，由ASN.1编译器按照编解码规则实现)
2.应用层Application Layer
应用层向表示层发送数据时，同时告知表示层自己的ASN.1名字(即对象标识符)，ASN.1名字标记了一个ASN.1语法——用以解释数据中各字段的含义。通过参考ASN.1定义，表示可以得知数据单元的类型和长度，以及传输时应当采用的编码方法。
3.表示层Presentation Layer
两个系统在传输数据前需要协商共用的编码方式，事实上编码方式在应用层发出的数据中已经确定，应用数据中包含抽象语法/传输语法的组合关系，告诉表示层数据的结构、含义以及传输语法规则。表示层参考抽象语法，将应用数据转换为传输语法定义的比特流。
4.边界对齐
同样一条消息，在计算机内存中是以Byte为单位存储的，在链路上则是以bit为单位传送的。
如果一个信元的第一个bit也恰好是Byte流中某Byte的开始bit时，我们称之为开始于边界对齐的；
如果信元的最后一个bit也恰好是Byte流中某Byte的最后一个bit时，则可以称之为结束于边界对齐的。
对于不是结束于边界对齐的情况，一般要进行补位。有两种方式：
(1)对每个信元的结束立即进行补位，保证下一个信元是开始于边界对齐的；
(2)从信元结束的位置开始新的信元，到消息结束时再进行一次补位操作。(用于无线空口中)
5.大小端(BigEndian vs Little Endian)
(1).大端方式，也叫网络序，从左往右，第一个8位表示高位，例如0X0102,用比特流表示是0000000100000010。
(2).小端方式，也叫主机序，与大端方式相反，数字0X0102用比特流表示则是0000001000000001，低8位在前，高8位在后。
Motorola的PPC系列、IP协议中使用大端方式;VAX计算机、Intel的x86系列中使用小端方式。
三.ASN.1的基本语法规则
1.ASN.1使用巴科斯范式(BNF):
在双引号中的字("word")代表着这些字符本身。而double_quote用来代表双引号。
在双引号外的字（有可能有下划线）代表着语法部分。
尖括号(< > )内包含的为必选项。
方括号([ ] )内包含的为可选项。
大括号({ } )内包含的为可重复0至无数次的项。
竖线(| )表示在其左右两边任选一项，相当于"OR"的意思。
::=是“被定义为”的意思。
这是用BNF来定义的Java语言中的For语句的实例：
FOR_STATEMENT::=
"for""(" ( variable_declaration |
(expression ";" ) | ";" )
[expression ] ";"
[expression ]
")"statement
2.在ASN.1中，符号的定义没有先后次序：只要能够找到该符号的定义即可。
3.所有的标识符、参考、关键字都要以一个字母开头，后接字母(大、小写都可以)、数字或者连字符“-”(但不能以连字符“-”结尾，也不能连续出现两个连字符)，不能出现下划线“_”。
4.关键字一般都是全部大写。
5.在标识符中，只有类型和模块名字是以大写字母开头的，其它标识符都是以小写字母开头。
6.ASN.1中实数实际定义为三个整数：尾数、基数和指数。没有小数表示方式。
7.ASN.1不对空格、制表符、换行符和注释做翻译。但是在定义符号（或者分配符号Assignment）“::=”中不能有分隔符。
四.ASN.1中的类型
类型是一个非空的值的集合，可以被编码后传输。相比与高级语言中复杂的数据结构，ASN.1中的类型主要是为了数据的传输。
1.ASN.1中的类型分为基本类型(内建数据类型)和组合类型，组合类型由一个或多个基本类型构成。
内建数据类型
-
类型
含义
NULL
只包含一个值NULL，用于传送一个报告或者作为CHOICE类型中某些值
INTEGER
全部整数（包括正数和负数）
REAL
实数，表示浮点数
ENUMERATED
标识符的枚举（实例状态机的状态）
BITSTRING
比特串
OCTETSTRING
字节串
OBJECT IDENTIFIER,
RELATIVE-OID
一个实体的标识符，它在一个全世界范围树状结构中注册
EXTERNAL,EMBEDDED PDV
表示层上下文交换类型
…String(除了BITSTRING、OCTETSTRING外)
各种字符串，有NumericString、PrintableString、VisibleStirng、ISO64String、IA5String、TeletexStirng、T61String、VideotexString、GraphicString、GeneralString、UniversalString、BMPString和UTF8String
CHARACTERSTRING
允许为字符串协商一个明确的字符表
UTCTime,GeneralizedTime
日期
组合类型
-
类型
含义
CHOICE
在类型中选择(相当于C中的联合)
SEQUENCE
由不同类型的值组成一个有序的结构(相当于C中的结构体)
SET
由不同类型的值组成一个无序的结构
SEQUENCEOF
由相同类型的值组成一个有序的结构(相当于C中的数组)
SETOF
由相同类型的值组成一个无序的结构
2.类型定义
<新类型的名字>::= <类型描述>
例：
Married ::= BOOLEAN
Age ::= INTEGER
Picture ::= BIT STRING
Form ::= SEQUENCE
{
name PrintableString,
age Age,
married Married,
marriage-certificate PictureOPTIONAL
}
Married类型是一个基本类型BOOLEAN，Form类型是一组基本类型的有序序列
注意：在SEQUENCE和SET等(好像应该是所有组合类型的)定义中，最后一个成员结尾没有逗号“,”。
为了接收方能正确解码，发送方为每个值的类型附加一个数，称为tag，在描述中以“[]”标识。缺省情况下，编码器会使用universal的tag。在给合类型中，为了明确各个成员，有必要指明每个成员的Tag：
Coordinates ::= SET
{
x [1] INTEGER, //这证明好像也可以用类来直接声明变量
y [2]INTEGER,
z [3]INTEGER OPTIONAL
}
Tag会在传输规则使用到，用于在比特流中指明数据的具体类型。
为了准确描述一个类型，我们需要对值的集合进行一定的限制。这用到子类型约束，在类型之后用圆括号进行标识。
如：
Lottery-number::= INTERGER(1..49)表示取1-49任一一个值
Lottery-draw ::=SEQUENCESIZE(6) OF Lottery-number指定了该SEQUENCE类型由6个Lottery-number类型有序组成。
Upper-case-words::= IA5String (FROM(“A”..”Z”))表示按ASCII取A-Z中任一一个，IA5String是ASCII字符串类型
为了方便在新的版本中往现有类型中添加新成员，可用“…”来标记可能以后是其它类型的地方：
Type ::= SEQUENCE
{
component1 INTERGER,
component2 BOOLEAN,
…
}
以后新的版本中，描述可能为：
Type ::= SEQUENCE
{
component1 INTERGER,
component2 BOOLEAN,
…,
[[component3REAL]], -- version 2
…
}
注意：新加入的类型成员要嵌套在“[[]]”中,--version 2指定新版本号
3.值定义
<新的值的名字><该值的类型> ::=<值描述>
其中：
<新的值的名字>是以小写字母开头的标识符；
<该值的类型>可以是一个类型的名字，也可以是类型描述；
<值描述>是基于整数、字符串、标识符的组合。
如：
counter Lottery-number ::= 45
sextuple Lottery-draw ::= { 7, 12, 23, 31, 33, 41 }
4.信息对象类和信息对象
<信息对象类>::= CLASS <类描述>
WITHSYNTAX <信息描述>
用于表达比注释更为正式的一些信息
5.模块定义
<模块名字> DEFINITIONS <缺省Tag>::=
BEGIN
EXPORTS <导出描述>
IMPORTS <导入描述>
<模块体描述>
END
一般协议由一个或者多个模块组成，模块用来收集数据结构定义。
模块名字必须以大写字母开头。模块能以一种“全局指针”(UniversalPointer)的方式来引用，称为对象标识符（ObjectIdentifier），用花括号标识在名字之后。
如：
Module2 { isomember-body(2) f(250) type-org(1) ft(16)
asn1-book(9)chapter5(0) module2(1) }
DEFINITIONS AUTOMATICTAGS ::=
BEGIN
EXPORTS Type2;
IMPORTS Type1, valueFROM Module1 {iso member-body(2)
f(250) type-org(1)ft(16) asn1-book(9) chapter5(0) module1(0)};
Type2 ::= SEQUENCE OFChoice
Choice ::= CHOICE
{
a INTEGER (0..value),
b Type1
}
END
(1).AUTOMATICTAGS是指缺省Tag，说明不关注模块的Tag。
(2).IMPORTS声明在其它模块定义但在本模块会用到的类型或者值。
EXPORT声明在本模块之外可以访问的类型或者值。
IMPORTS的语法为：
IMPORTS <名字>,value FROM <其它模块的ObjectIdentifier >;
EXPORTS的语法为：
EXPORTS<名字>;
(3).对象标识符(OBJECTIDENTIFIER,OID)类型用层次的形式来表示标准规范。标识符树通过一个点分的十进制符号来定义，这个符号以组织，子部分然后是标准的类型和各自的子标识符开始．
例如：MD5的OID是1.2.840.113549.2.5表示为"iso(1)member-body (2) US (840) rsadsi(113549) digestAlgorithm (2) md5 (5)",所以当解码程序看到这个OID时,就知道是MD5散列。
OID在公钥算法标准中很流行,它指出证书绑定了哪种散列算法。
OID在传输时编码规则:
-
前两部分如果定义为x.y,那么它们将合成一个字40*x+ y,其余部分单独作为一个字节进行编码。
-
每个字首先被分割为最少数量的没有头零数字的7位数字.这些数字以big-endian格式进行组织,并且一个接一个地组合成字节.除了编码的最后一个字节外,其他所有字节的最高位(位8)都为1。
MD5OID的编码:
<1>.将1.2.840.113549.2.5转换成字数组{42,840, 113549, 2, 5}。
<2>.然后将每个字分割为带有最高位的7位数字，{{0x},{0x86,0x48},{0x86,0xF7,0x0D},{0x02},{0x05}}。
<3>.最后完整的编码为0x0608 86 48 7 0D 02 05。
6.模块和分配(Assignment)
(1).定义一个新类型
TypeReference ::=CHOICE
{
integer INTEGER,
boolean BOOLEAN
}
(2).给类型赋值
在ASN.1中给类型赋的值不会被编码(ASN.1语法只是一种语法规则用来描述业务数据，而不会被当成业务数据)，这种值常用作DEFAULT，上下界或者信息对象中。
value-referenceTypeReference ::= integer:12
如果两个类型在语法上是完全一样的，则这两种类型的值可以相互赋值。如：
Pair::= SEQUENCE
{
x INTEGER,
y INTEGER
}
Couple::= SEQUENCE
{
x INTEGER,
y INTEGER
}
pairPair ::= {x 5, y 13}
coupleCouple ::= pair
(3).值集合
在语义上，一个值集合相当于一个添加约束后的类型。如：
PrimeNumbers INTEGER ::= {2 | 3 | 5 | 7 | 11 | 13}