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Ymodem协议帧填充机制与数据完整性校验的深度技术分析

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本文旨在对Ymodem协议中数据帧末尾填充0x1A（SUB/CTRL-Z）的机制进行系统性分析。基于用户提供的技术排查结果与源码片段，本文将解析定长数据块传输的底层逻辑，并阐述在接收端如何利用元数据（Metadata）剔除无效填充字节，以确保文件传输的二进制一致性。

1. Ymodem协议的定长数据块架构

Ymodem协议继承了Xmodem的定长分包传输特性。为了保持同步与校验的简便性，协议规定数据传输必须以固定的块大小进行。

1.1 数据帧类型与结构

Ymodem支持两种标准数据帧类型，通过帧头字节进行标识：

  • SOH (Start of Header, 0x01)：标识 128字节 数据载荷。
  • STX (Start of Text, 0x02)：标识 1024字节 数据载荷。

无论实际有效数据剩余多少，发送方必须填充数据区至上述固定长度，随后附加CRC校验码。

1.2 最后一帧的填充规则

当文件大小不是128或1024的整数倍时，最后一帧必然存在无效空间。根据Ymodem/Xmodem标准，这些空间必须被填充（Padding）。

  • 填充字符：标准规定使用 0x1A（ASCII码中的SUB，在CP/M和DOS系统中代表EOF，即End Of File）。
  • 填充逻辑：
    1. 若剩余数据不足128字节，使用SOH帧，剩余空间填0x1A。
    2. 若剩余数据大于128但不足1024字节，通常使用STX帧，剩余空间填0x1A（部分实现允许退回使用多个SOH帧，但标准Ymodem倾向于保持吞吐量，使用STX填充）。

2. 源码逻辑与协议一致性验证

根据提供的技术材料，用户在发送端（Sender）的代码逻辑如下：

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if (read_size < len)
{
    rt_memset(buf + read_size, 0x1A, len - read_size);
    ctx->stage = RYM_STAGE_FINISHING;
}

2.1 代码行为分析

  • 输入参数：read_size为从文件系统读取的实际字节数，len为当前帧的目标长度（128或1024）。
  • 判定条件：read_size < len 明确捕获了文件尾部（End of Stream）的情况。
  • 填充操作：rt_memset(..., 0x1A, ...) 执行了标准的填充操作，将缓冲区尾部无效数据置为0x1A。
  • 状态机更新：ctx->stage = RYM_STAGE_FINISHING 标记传输即将结束。

此代码段完全符合Ymodem协议规范。用户观察到的“文件末尾多出0x1A”并非代码缺陷，而是协议层的预期行为。

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sequenceDiagram
    participant App as 应用层/文件系统
    participant Ymodem as Ymodem发送端
    participant UART as 串口/物理层

    App->>Ymodem: 读取最后一块数据 (例如 80 Bytes)
    Ymodem->>Ymodem: 缓冲区大小为 128 Bytes
    Ymodem->>Ymodem: 将 80 Bytes 放入头部
    Ymodem->>Ymodem: 计算 padding = 128 - 80 = 48
    Ymodem->>Ymodem: rt_memset(buf+80, 0x1A, 48)
    Ymodem->>UART: 发送 SOH 帧 (含 48个 0x1A)
    Note right of UART: 接收端收到完整 128 字节

3. 接收端的有效数据截断机制

虽然发送端填充0x1A是合规的，但接收端（Receiver）若直接将接收到的所有数据写入文件，会导致文件末尾出现多余的乱码，破坏文件的二进制完整性（MD5/SHA校验失败）。

3.1 块0（Block 0）的关键作用

Ymodem与Xmodem最大的区别在于起始帧（Block 0）。该帧不传输文件内容，而是传输元数据。

  • Block 0 内容：文件名 + NUL + 文件大小字符串 + NUL。
  • 解析机制：接收端在传输开始时，必须解析Block 0中的文件大小字符串（ASCII格式转整数），获得精确的File_Size。

3.2 接收端写入逻辑

接收端在处理每一帧数据时，应维护一个计数器Total_Received。在写入文件系统时，需执行以下逻辑：

  1. 计算待写入量：To_Write = min(Packet_Size, File_Size - Total_Received)。
  2. 执行写入：仅写入To_Write长度的数据。
  3. 丢弃填充：若Packet_Size > To_Write，则剩余的字节（即0x1A）被自动忽略。

3.3 无法获取文件大小时的处理

如果在纯Xmodem模式下（无Block 0），接收端无法预知文件大小。此时接收端通常只能将0x1A写入文件。后期处理时，只能通过约定（如文本文件视0x1A为EOF）或特定文件格式头部的长度字段来自行截断。这也正是Ymodem改进引入Block 0的核心原因。

4. 结论

基于上述深度分析，针对用户遇到的“文件末尾填充0x1A导致不一致”的问题，得出以下技术结论：

  1. 协议合规性：发送端代码使用0x1A填充不足的数据块是完全正确且符合标准Ymodem/Xmodem协议的行为。
  2. 现象解释：用户在接收侧看到0x1A，说明发送端履行了填充义务，传输链路工作正常。
  3. 解决方案：
    • 校验接收端逻辑：接收端必须利用Ymodem Block 0中传输的文件大小信息。
    • 截断操作：在接收最后一帧时，不应盲目写入128/1024字节，而应根据Total_File_Size - Current_Offset计算出的实际剩余字节数进行写入，从而在落盘时自动剔除末尾的0x1A填充码，实现源文件与目标文件的二进制完全一致。