设备控制软件编程涉及到的基本通信方式主要有TCP/IP与串口，用到的数据通信协议有Fins与ModBus。 更高级别的通信如.net中的Remoting与WCF在进行C/S架构软件开发时会采用。
本篇文章结合Fins/ModBus协议的指令帧结构与数据编码与解码过程，自定义了一套TcpChatter数据数据通信协议，编写了一个聊天程序，说明TCP/IP的在一个项目中应用。
本文涉及到的源代码工程项目为 - TcpChatter 后面附件提供源代码下载 ( OpenSource Code 软件版本：VS2008 语言：C#)
1 先普及几个基本概念
目前工业控制中的温控主流采用串口通信，使用数据通信协议为ModBus协议，而与底层PLC通信则多采用Fins协议。下面分别解释ModBus协议与Fins协议的指令帧结构与TcpChatter指令帧结构。
TcpChatter指令 帧用于在客户端与服务端进行统一格式的数据通信。其基本构成为 ： TcpChatter指令域 + TcpChatter数据域;
Fins协议与ModBus协议原理基本一样，其各自的指令帧结构 基本有2部分构成： 指令域 + 数据域
指令域为Fins协议与ModBus协议定义的数据通信格式，指令域字节长度也不一样.比如Fins指令有效指令域(Fin头 + Fin指令域)为12个节字，数据域长度能到2000字节，而ModBus协议有效指令域(地址 + 功能码 + CRC校验码)为4个字节，数据域为(256-4)字节或(260-4)字节。
数据域为发送的真正数据。由于受限于硬件设备通信的数据速率， 在串口与TCP/IP通信中， 指令域 + 数据域的总长度是有限制的。我们通过PC与设备进行通信，实际上是在反复的发送这些 数据包与解析这些数据包，从而达到PC与设备信息交互的目的。
熟悉嵌入式的人都知道，我们编写代码跟设备进行通信，基本是在通过操作设备的寄存器对寄存器进行读写从而达到控制设备状态与获取设备状态的目的。寄存器普通的有8位与16位，我们最常见的温控表是8位寄存器，正好一个byte，每一位都可以看成是硬件上的一个I/O，我们通过操作这些位从而操作了对应的硬件的I/O状态 （0/1），设备跟据这些I/O状态做出相应的动作。
3.1 Fins指令帧结构
(Fins响应帧(应答帧结构)结构与Fins指令帧结构类似)
3.2 ModBus指令帧结构
(ModBus也具备响应帧结构)
2.3 TcpChatter指令帧结构
TcpChatter指令 帧用于在客户端与服务端进行统一格式的数据通信。其基本构成为 ： TcpChatter指令域 + TcpChatter数据域;
TcpChatter指令域构成: 命令头 + 命令请求模式+ 发送者ID + 收发模式 + 收接都ID + 预留指令
TcpChatter指令域长度： 8bytes
TcpChatter数据域长度： 20kb
3.4 TcpChatter 指令域结构 (该指令在通信过程中变换成了byte，可以进行位操作)
/// <summary>
/// TcpChatter 数据通信命令格式定义
/// </summary>
public struct LCmd
{
public int Head; // 有效命令开始标志(命令头)
public int CmdMode; // 命令请求模式
public int SendID; // 发送者用户ID
public int WR; // 发送或读写模式
public int RecvID; // 接收者用户ID
public int Resv2; // 预留
public int Resv3; // 预留
public int Resv4; // 预留
}
3.5 TcpChatter 指令集
/// <summary>
/// 应答请求命令
/// </summary>
public enum CmdRequest
{
MinID = -1,
Online = 0x01, // 在线请求
FixUser = 0x02, // 向固定用户发送消息请求
Flush = 0x03, // 向固定用户闪屏请求
FlushAll = 0x04, // 向所有用户闪屏请求
Broadcast = 0x05, // 广播消息请求
Offline = 0x06, // 离线请求
UpdateUsers = 0x07, // 用户列表更新请求
Success = 0x08, // 用户连接服务成功应答
InvalidUser = 0x09, // 非法用户名 - (预留)
Failed = 0x0A, // 用户连接服务失败应答
InvalidCmd = 0xFF, // 非法命令包 - (预留)
MaxID,
}
4 ChatServer - TcpChatter服务端程序
4.1 ChatAgent服务端 获取客户端独立的Socket连接请求
在TcpChatter项目中，通过TcpListener创建一个监听端口获取Socket连接请求，不同的客户端连接请求(TcpClient的Connect)，服务端会创建客户端各自独立的Socket对象，在ChatAgent中通过ClientContext管理了所有连接客户端的Socket，消息的转发通过各自不同的Socket进行。
4.1.1 ClientContext
ChatServer服务端通过dicClientContext 表保存了所有连接客户端的信息，当客户端异常或离线，其客户端资源会被从Server端移除。
private Dictionary<string, ClientContext> dicClientContext = new Dictionary<string, ClientContext>()
#region InnerClass - Client Instance Context
class ClientContext
{
internal ClientContext()
{
}
internal byte[] Buf { get; set; }
internal byte[] HeadBuf { get; set; }
internal byte[] DataBuf { get; set; }
internal int UserID { get; set; }
internal string UserName { get; set; }
internal Thread MsgHandle { get; set; }
internal Socket Skt { get; set; }
}
#endregion
4.2 监听连接请求与消息监听流程图
如下图所示，ChatServer启动了一个监听端口，当有新的连接请求达到，会生成新的Socket对象，同时启动Socket服务消息监听线程：
服务监听线程：客户端连接请求线程，有新的客户端成功连接服务端时会生成新的Socket对象。该线程为所有客户端服务。
Socket服务线程：服务监听线程的子线程，用于处理服务端使用Socket转发的消息。为指定Socket的独立客户端服务。
4.3 IChatAgent服务代理接口
TcpChatter的服务端接口含2个属性与2个接口
Name ： 服务器名称
IsAlive：服务器激活状态
StartChatServer： 启动服务接口
StopChatServer：关闭服务接口
public interface IChatAgent
{
string Name { get;}
bool IsAlive { get; }
bool StartChatServer();
bool StopChatServer();
}
4.4 服务监听线程
/// <summary>
/// 客户端 消息处理主线程
/// </summary>
private void MessageProcessThread()
{
ClientContext client = null;
while (IsAlive)
{
try
{
byte[] useNameBuf = new byte[MAXBUFSIZE];
// 监听连接请求对像
Socket msgSkt = tcpListener.AcceptSocket();
// 等待上线请求
int actualLens = msgSkt.Receive(useNameBuf);
// 获取实际数据长度
byte[] buf = this.CopyArrayFrom(useNameBuf, actualLens);
byte[] header = null;
byte[] dataBuf = null;
// 解析上线请求命令包 : 上线请求 + 用户名
LErrorCode error = this.ResolveDataPackage(buf, out header, out dataBuf);
if (error != LErrorCode.Success)
{
Console.Error.WriteLine("ResolveDataPackage failed! LErrorCode = {0}", error);
continue;
}
// 校验命令头
if (header[0] != ProtocolMsg.LCML)
{
Console.Error.WriteLine("Invalid cmmand head = {0}", header[0]);
continue;
}
// 是否是上线请求 - 第 1 个命令必须是: 上线请求命令包 + 用户名
CmdRequest request = (CmdRequest)header[1];
if (request != CmdRequest.Online)
{
Console.Error.WriteLine("Invalid request command! Cmd = {0}", request);
continue;
}
// 校验用户名的合法性
string user = this.GetStringFrom(dataBuf);
if (!CheckUserInvalid(user))
{
string msg = "User name " + user + " has been existed in TcpChatter system! User tried to join chatting failed!";
this.currentRequest = CmdRequest.Failed;
this.currentRight = LProtocolRight.WR;
msgSkt.Send(CurrentCmd);
Console.Error.WriteLine(msg);
continue;
}
// 服务端生成用户信息 并动态分配独立用户ID
client = new ClientContext();
client.UserID = ChatAgent.ActiveID;
client.UserName = user;
client.Skt = msgSkt;
dicClientContext.Add(user, client);
this.currentRequest = CmdRequest.Success;
this.currentRight = LProtocolRight.WR;
this.senderID = client.UserID;
// 发送登陆成功命令
msgSkt.Send(CurrentCmd);
string sysmsg = string.Format("[系统消息]\n新用户 {0} 在[{1}] 已成功连接服务器[当前在线人数: {2}]\r\n\r\n",
user, DateTime.Now, dicClientContext.Count);
Console.WriteLine(SysInfo.Timestamp + sysmsg);
Thread.Sleep(1000); // Sleep 1s
Thread handle = new Thread(() =>
{
if (PreMessageProcess(client, sysmsg))
{
// 启用用户 消息监听线程
SubMsgProcessThread(client, sysmsg);
}
});
handle.Start();
dicClientContext[user].MsgHandle = handle;
}
catch (SocketException se)
{
Innerlog.Error(dcrlringType, "SocketException Current user = " + client.UserName + " was offline!", se);
}
catch (Exception ex)
{
Innerlog.Error(dcrlringType, "Exception Current user = " + client.UserName + " was offline!", ex);
}
}
}
4.5 Socket服务消息线程
/// <summary>
/// 用户消息监听线程
/// </summary>
/// <param name="client"></param>
private void SubMsgProcessThread(ClientContext clientx, string message)
{
ClientContext client = clientx;
while (true)
{
try
{
byte[] msgBuf = new byte[MAXBUFSIZE];
// 监听 并接收数据
int actualLens = client.Skt.Receive(msgBuf);
byte[] totalBuf = this.CopyArrayFrom(msgBuf, actualLens);
byte[] headBuf = null;
byte[] dataBuf = null;
// 解析命令包
LErrorCode error = this.ResolveDataPackage(totalBuf, out headBuf, out dataBuf);
client.HeadBuf = headBuf;
client.DataBuf = dataBuf;
client.Buf = totalBuf;
if (error != LErrorCode.Success) continue;
// 是否是有效命令
if (headBuf[0] != ProtocolMsg.LCML) continue;
CmdRequest cmdHead = (CmdRequest)headBuf[1];
if (cmdHead == CmdRequest.InvalidCmd ||
cmdHead == CmdRequest.MaxID ||
cmdHead == CmdRequest.MinID)
{
Console.Error.WriteLine("Invalid Send Message!");
continue;
}
else
{
// 用户消息转发
UserMessageProcess(client);
}
}
catch (Exception ex)
{
ClientOfflineProcess(client);
//Innerlog.Error(dcrlringType, "Current user = " + client.UserName + " was offline!", ex);
Thread.CurrentThread.Abort();
}
}
}
4.6 序列化
序列化与反序列化在TcpChatter中被用于消息的编码与解码。编码与解码过程可以详细的参看ChatAgent代码内部实现。
序列化描述了持久化一个对像对流的过程，反序列化则与此过程相反，表示从流到对象的重建过程。在.net中，消息传递，数据存储都大量的用到了序列化与反序列化的操作。
由于客户端与服务端消息传输以byte字节流的方式进行传输，当在客户端之前传递对象时需要对对象进行序列化。如传递客户端在线列表，该列表是一个Dictionary，在客户端与服务端进行Dictionary传递需用到序列化与反序列化。
见 TcpChatter CHTCommon中的SysInfo.cs
public static byte[] SerializeGraph<T>(T graph)
4.7 反序列化
见 TcpChatter CHTCommon中的SysInfo.cs
public static T DeserializeGraph<T>(byte[] bytes)
4.8 ChatClient
略
4.9 ChatServer 服务端程序
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
int beginner = Win32Manager.TickCounter;
Console.WriteLine("\r\n-----------------------------------------------------------------------");
Console.WriteLine(SysInfo.Timestamp + "ChatServer is starting........\r\n");
IChatAgent agent = new ChatAgent(null);
int linkCounter = 0;
bool isStarted = agent.StartChatServer();
while (!agent.IsAlive)
{
if (linkCounter++ > 10)
{
Console.WriteLine(SysInfo.Timestamp + "ChatServer start failed! Try LinkCounter = {0}",linkCounter);
break;
}
Thread.Sleep(100);
}
Console.WriteLine(SysInfo.Timestamp + "Total ElapsedTime = {0}ms", (Win32Manager.TickCounter - beginner));
if (linkCounter < 10) Console.WriteLine(SysInfo.Timestamp + "ChatServer is running........");
Console.WriteLine("-----------------------------------------------------------------------\r\n");
Application.Run();
}
}
5 TcpChatter运行测试
运行 ChatServer，如图1所示，输入端口服务启动
运行ChatClient，输入用户名就可以聊天了。当有新用户上线或新用户离线时，ChatServer控制台会显示当前用在线用户的情况。
运行ChatClient输入用户名
ChatClient聊天界面
附录：TcpChatter源代码下载 软件版本: VS2008 语言:C#
