Socket開發框架之框架設計及分析

雖然在APP應用、Web應用、Winform應用等大趨勢下，越來越多的企業趨向於這些應用系統開發，但是Socket的應用在某些場合是很必要的，如一些停車場終端裝置的接入，農業或者水利、壓力監測方面的裝置資料採集等，以及常見的IM（即時通訊，如騰訊QQ、阿里旺旺等）的客戶端，都可以採用Socket框架進行相關的資料採集和資訊通訊用途的，Socket應用可以做為APP應用、Web應用和Winform應用的補充。

1、Socket應用場景

一般情況下，客戶端和服務端進行Socket連線，需要進行資料的交換，也就是後臺提供資料查詢或者寫入的相關操作，它們的應用場景也是在後臺有一個應用資料庫支援的，如下所示。

Socket伺服器和客戶端的通訊原理如下所示，客戶端通過伺服器地址和埠發起Socket連線，伺服器在接收到Socket客戶端的請求後，開闢一個新的Socket連線進行通訊管理，兩方基於Socket協議進行資料的互動處理。

2、Socket框架設計思路

Socket開發是屬於通訊底層的開發，.NET本身也提供了非常豐富的類來實現Socket的開發工作，Socket框架應針對這些基礎功能進行了很好的封裝處理，已達到統一、高效的使用。

要掌握或者瞭解Socket開發，必須瞭解下面所述的場景及知識。

• TCP客戶端，連線伺服器端，進行資料通訊
• TCP伺服器端，負責偵聽客戶端連線
• 連線客戶端的管理，如登陸，登出等，使用獨立執行緒處理
• 資料接收管理，負責資料的接受，並處理佇列的分發，使用獨立執行緒處理，簡單處理後叫給“資料處理執行緒”
• 資料處理執行緒，對特定的資料，採用獨立的執行緒進行資料處理
• 資料的封包和解包，按照一定的協議進行資料的封裝和解包

針對以上內容，可以封裝以下功能的操作類作為共用基類：

• BaseSocketClient，客戶端基類，負責客戶端的連結、斷開、傳送、接收等操作。
• BaseSocketServer，TCP伺服器管理基類，負責在獨立的執行緒中偵聽指定的埠，如果有客戶端連線進來，則進行相應的處理。
• BaseClientManager，連線客戶端管理類，該類主要負責客戶端登入超時處理，連線上來的客戶端維護，經過登陸驗證的客戶端維護，客戶端登陸驗證介面，客戶端傳送資料處理等功能。
• BaseReceiver，資料接收處理類，該基類是所有接受資料的處理類，負責維護資料的佇列關係，並進一步進行處理。
• ThreadHandler，資料獨立執行緒處理類，對每個不同型別的資料（不同的協議型別），可以用獨立的執行緒進行處理，這裡封裝了一個基類，用於進行資料獨立執行緒的處理。

1）Socket客戶端基類

我們知道Socket通訊，分為了客戶端和服務端，它們各自處理的事情是有所不同的，因此為了實現更好的程式碼重用，我們在這個基礎上進行了不同的封裝。針對Socket客戶端類，我們主要需要提供基礎的Socket連線及斷開、接收及傳送、封包拆包等常規操作過程，因此我們封裝了一個客戶端基類 BaseSocketClient。

但是為了基於不同的應用客戶端，實現不同的業務溝通，我們可以在服務端接收處理不同的客戶端，因此也就是需要對Socket客戶端進行派生擴充套件，例如本框架增加了一箇中心的Socket客戶端、分店的Socket客戶端、還有一個橋接的連線客戶端（可實現轉發資料功能）。

2）Socket服務端基類

相對於Socket客戶端基類，同樣我們也建立一個Socket服務端基類，通過繼承的方式，我們可以用於簡化程式碼的重複性。該服務端基類稱為TCP伺服器管理基類 BaseSocketServer，負責在獨立的執行緒中偵聽指定的埠，如果有客戶端連線進來，則進行相應的處理。

同樣我們也派生了兩個服務端的基類，方便對不同的Socket客戶端進行差異性處理，如對應上面的中心客戶端類ClientOfCall，我們增加一個對應的服務端類ServerForCall，其他的也類似，它們的繼承關係如下所示。

另外，由於我們允許不同的Socket客戶端類（如ClientOfCall、ClientOfShop）的接入，那麼在伺服器端也會有對應Socket服務端類（ServerForCall、ServerForShop）進行不同埠的偵聽，一旦在自己所屬埠有Socket接入，那麼服務端類會分派給不同Socket客戶端管理類來處理他們的關係和資料，這樣也就進一步引入一個客戶端管理類的概念，它對應不同的Socket客戶端。

這裡也根據需要定義了一個Socket客戶端管理基類BaseClientManager<T>，這個T代表對應不同的客戶端，這樣我們就可以派生出CallClientManager和ShopClientManager兩個不同的客戶端管理類了，它們的繼承關係如下所示。

3）資料接收處理基類

在不同的Socket客戶端連線到服務端後，服務端開闢一個新的執行緒進行對應的Socket資料通訊，那麼資料通訊這裡面的管理，我們可以為不同的Socket客戶端訂做一個對應的資料接收處理類，專門針對特定的Socket客戶端連線的資料進行處理。

這裡也根據需要定義了一個資料接收的基類BaseReceiver，同樣我們派生對應不同客戶端的資料接收類ReceivedForCall、ReceivedForShop和ReceivedForBridge等幾個具體的資料處理類，它們的繼承關係如下所示。

3、框架介面設計

1）引數配置

Socket伺服器需要一些引數來確定偵聽的IP地址、埠，以及資料庫的連線資訊，各種資料的處理時間間隔等引數，因此需要提供一個較好的管理介面來進行管理，本框架使用基於本地配置檔案的引數管理方式進行管理，引數介面如下所示。

客戶端也同樣需要配置一些引數，用來確定連線的伺服器IP及埠資訊，如下配置介面所示。

Socket伺服器監控介面，需要顯示一些基礎的狀態和Socket連線等基礎資訊，作為我們對整體狀態的瞭解，同時這些資訊可以記錄到日誌裡面供我們進行查閱和分析。

除了上面總體的設計外，其中還有一個地方需要細緻的展開來介紹，就是對Socket傳輸訊息的封裝和拆包，一般的Socket應用，多數採用基於順序位置和位元組長度的方式來確定相關的內容，這些處理對我們分析複雜的協議內容，簡直是一場災難，協議位置一旦變化或者需要特殊的處理，就是很容易出錯的，而且大多數程式碼充斥著很多位置的數值變數，分析和理解都是非常不便的。

如果對於整體的內容，使用一種比較靈活的訊息格式，如JSON格式，那麼我們可以很好的把訊息封裝和訊息拆包解析兩個部分，交給第三方的JSON解析器來進行，我們只需要關注具體的訊息處理邏輯就可以了，而且對於協議的擴充套件，就如JSON一樣，可以自由靈活，這樣瞬間，整個世界都會很清靜了。由於篇幅的原因，我將在下一個隨筆在進行介紹JSON格式的訊息處理過程。

除了上面的場景外，我們還需要考慮使用者訊息的加密和校驗等內容處理，這樣才能達到安全、完整的訊息處理，我們可以採用 RSA公鑰密碼系統。平臺通過傳送平臺RSA公鑰訊息向終端告知自己的RSA公鑰，終端回覆終端RSA公鑰訊息，反之亦然。這樣平臺和終端的訊息，就可以通過自身的私鑰加密，讓對方公鑰解密就可以了。