Socket开发框架之框架设计及分析

Posted 2020-08-19

虽然在APP应用、Web应用、Winform应用等大趋势下，越来越多的企业趋向于这些应用系统开发，但是Socket的应用在某些场合是很必要的，如一些停车场终端设备的接入，农业或者水利、压力监测方面的设备数据采集等，以及常见的IM（即时通讯，如腾讯QQ、阿里旺旺等）的客户端，都可以采用Socket框架进行相关的数据采集和信息通讯用途的，Socket应用可以做为APP应用、Web应用和Winform应用的补充。

1、Socket应用场景

一般情况下，客户端和服务端进行Socket连接，需要进行数据的交换，也就是后台提供数据查询或者写入的相关操作，它们的应用场景也是在后台有一个应用数据库支持的，如下所示。

Socket服务器和客户端的通讯原理如下所示，客户端通过服务器地址和端口发起Socket连接，服务器在接收到Socket客户端的请求后，开辟一个新的Socket连接进行通讯管理，两方基于Socket协议进行数据的交互处理。

 

2、Socket框架设计思路

Socket开发是属于通信底层的开发，.NET本身也提供了非常丰富的类来实现Socket的开发工作，Socket框架应针对这些基础功能进行了很好的封装处理，已达到统一、高效的使用。

要掌握或者了解Socket开发，必须了解下面所述的场景及知识。

• TCP客户端，连接服务器端，进行数据通信
• TCP服务器端，负责侦听客户端连接
• 连接客户端的管理，如登陆，注销等，使用独立线程处理
• 数据接收管理，负责数据的接受，并处理队列的分发，使用独立线程处理，简单处理后叫给“数据处理线程”
• 数据处理线程，对特定的数据，采用独立的线程进行数据处理
• 数据的封包和解包，按照一定的协议进行数据的封装和解包

针对以上内容，可以封装以下功能的操作类作为共用基类：

• BaseSocketClient，客户端基类，负责客户端的链接、断开、发送、接收等操作。
• BaseSocketServer，TCP服务器管理基类，负责在独立的线程中侦听指定的端口，如果有客户端连接进来，则进行相应的处理。
• BaseClientManager，连接客户端管理类，该类主要负责客户端登录超时处理，连接上来的客户端维护，经过登陆验证的客户端维护，客户端登陆验证接口，客户端发送数据处理等功能。
• BaseReceiver，数据接收处理类，该基类是所有接受数据的处理类，负责维护数据的队列关系，并进一步进行处理。
• ThreadHandler，数据独立线程处理类，对每个不同类型的数据（不同的协议类型），可以用独立的线程进行处理，这里封装了一个基类，用于进行数据独立线程的处理。

1）Socket客户端基类

我们知道Socket通讯，分为了客户端和服务端，它们各自处理的事情是有所不同的，因此为了实现更好的代码重用，我们在这个基础上进行了不同的封装。针对Socket客户端类，我们主要需要提供基础的Socket连接及断开、接收及发送、封包拆包等常规操作过程，因此我们封装了一个客户端基类 BaseSocketClient。

但是为了基于不同的应用客户端，实现不同的业务沟通，我们可以在服务端接收处理不同的客户端，因此也就是需要对Socket客户端进行派生扩展，例如本框架增加了一个中心的Socket客户端、分店的Socket客户端、还有一个桥接的连接客户端（可实现转发数据功能）。

2）Socket服务端基类

相对于Socket客户端基类，同样我们也创建一个Socket服务端基类，通过继承的方式，我们可以用于简化代码的重复性。该服务端基类称为TCP服务器管理基类 BaseSocketServer，负责在独立的线程中侦听指定的端口，如果有客户端连接进来，则进行相应的处理。

同样我们也派生了两个服务端的基类，方便对不同的Socket客户端进行差异性处理，如对应上面的中心客户端类ClientOfCall，我们增加一个对应的服务端类ServerForCall，其他的也类似，它们的继承关系如下所示。

另外，由于我们允许不同的Socket客户端类（如ClientOfCall、ClientOfShop）的接入，那么在服务器端也会有对应Socket服务端类（ServerForCall、ServerForShop）进行不同端口的侦听，一旦在自己所属端口有Socket接入，那么服务端类会分派给不同Socket客户端管理类来处理他们的关系和数据，这样也就进一步引入一个客户端管理类的概念，它对应不同的Socket客户端。

这里也根据需要定义了一个Socket客户端管理基类BaseClientManager<T>，这个T代表对应不同的客户端，这样我们就可以派生出CallClientManager和ShopClientManager两个不同的客户端管理类了，它们的继承关系如下所示。

 

3）数据接收处理基类

在不同的Socket客户端连接到服务端后，服务端开辟一个新的线程进行对应的Socket数据通讯，那么数据通讯这里面的管理，我们可以为不同的Socket客户端订做一个对应的数据接收处理类，专门针对特定的Socket客户端连接的数据进行处理。

这里也根据需要定义了一个数据接收的基类BaseReceiver，同样我们派生对应不同客户端的数据接收类ReceivedForCall、ReceivedForShop和ReceivedForBridge等几个具体的数据处理类，它们的继承关系如下所示。

 

3、框架界面设计

1）参数配置

Socket服务器需要一些参数来确定侦听的IP地址、端口，以及数据库的连接信息，各种数据的处理时间间隔等参数，因此需要提供一个较好的管理界面来进行管理，本框架使用基于本地配置文件的参数管理方式进行管理，参数界面如下所示。

客户端也同样需要配置一些参数，用来确定连接的服务器IP及端口信息，如下配置界面所示。

Socket服务器监控界面，需要显示一些基础的状态和Socket连接等基础信息，作为我们对整体状态的了解，同时这些信息可以记录到日志里面供我们进行查阅和分析。

 

除了上面总体的设计外，其中还有一个地方需要细致的展开来介绍，就是对Socket传输消息的封装和拆包，一般的Socket应用，多数采用基于顺序位置和字节长度的方式来确定相关的内容，这些处理对我们分析复杂的协议内容，简直是一场灾难，协议位置一旦变化或者需要特殊的处理，就是很容易出错的，而且大多数代码充斥着很多位置的数值变量，分析和理解都是非常不便的。

如果对于整体的内容，使用一种比较灵活的消息格式，如JSON格式，那么我们可以很好的把消息封装和消息拆包解析两个部分，交给第三方的JSON解析器来进行，我们只需要关注具体的消息处理逻辑就可以了，而且对于协议的扩展，就如JSON一样，可以自由灵活，这样瞬间，整个世界都会很清静了。由于篇幅的原因，我将在下一个随笔在进行介绍JSON格式的消息处理过程。

除了上面的场景外，我们还需要考虑用户消息的加密和校验等内容处理，这样才能达到安全、完整的消息处理，我们可以采用 RSA公钥密码系统。平台通过发送平台RSA公钥消息向终端告知自己的RSA公钥，终端回复终端RSA公钥消息，反之亦然。这样平台和终端的消息，就可以通过自身的私钥加密，让对方公钥解密就可以了。