分享一个与硬件通讯的分布式监控与远程控制程序的设计（下：通讯协议设计与实现）
4 基于RoundTrip（往返）的通讯协议设计
通讯服务器插件的核心为3部分：（1）与通讯方式、业务逻辑无关的通讯协议实现；（2）和通讯方式、业务逻辑有关的通讯业务逻辑的实现；（3）远程通讯消息队列。在这里我将重点描述通讯协议的实现。这个通讯协议的实现比较灵巧。
4.1 通讯协议基本单元——消息
通讯协议的通讯单元是消息，以下是来自硬件开发工程师编写的协议，消息包由前导符、起始符、消息头、校验码、消息体、结束符等部分组成。不同的通讯指令，发出的消息和接收到消息均不相同。
通讯协议必须能够发出正确的消息和解析响应的消息包，此外，硬件能接受的消息是字节格式，而通讯服务器软件能够正确识别的则是各个有意义的字段。为此，我们为消息设计了如下的基类。消息较小的单元是一个MessagePart，它提供了ToContent和ToMessage方法分别用于转换成字节码和字符串，此外，它还定义了TryParse方法用于将字节码解析成有意义的MessagePart对象。这里定义了ParseMessageException异常，当消息解析失败时，抛出该异常。下面是消息头、消息体以及消息基类的定义。消息基类由前缀、起始、头、体和后缀部分组成。
接着我们根据硬件开发工程师提供的SCATA 3.0协议，定义与通讯协议相关的消息基类Scata30Message。这个消息提供了一个默认的消息头的实现，但是消息体则需要根据指令进一步实现。下图是通讯协议涉及的大部分消息体的实现，消息体基本都是一对的，即消息体和响应消息体。
消息体一般是指服务器发出给硬件的指令，这样的消息体需要构造所有的字段，并要实现ToContent方法，将消息转换成字节码，发送给硬件；而响应消息一般是由硬件发送给服务器的消息，它至少需要实现TryParse方法，将硬件字节码解析成有意义的字段，供业务逻辑层访问。
下面是一个消息的定义。
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using UIShell.CommServerService.Utility;
using System.ComponentModel;
namespace UIShell.CommServerService.Protocol.Scata30.Message
{
[Description("读取单一表")]
public class Scata30ReadMeterMessageBody : Scata30MessageBody
{
public byte MeterProtocolCategory;
public byte Channel;
public byte[] MeterAddressBCD;
public long MeterAddress;
internal Scata30ReadMeterMessageBody()
{
}
public Scata30ReadMeterMessageBody(byte meterProtocol, byte channel,
long meterAddress)
{
MeterProtocolCategory = meterProtocol;
Channel = channel;
MeterAddress = meterAddress;
MeterAddressBCD = ProtocolUtility.MeterAddressFromLong(meterAddress, true);
}
protected override bool TryParseWithoutCheckCode(byte[] bodyContent)
{
throw new NotImplementedException();
}
protected override byte[] ToContentWithoutCheckCode()
{
return new byte[] {
MeterProtocolCategory, Channel }.Concat(MeterAddressBCD).ToArray();
}
public override string ToString()
{
return string.Format("协议类型={0}，通道号={1}，表地址={2}",
MeterProtocolCategory, Channel, MeterAddress);
}
}
}
下面则是响应消息的实现。
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using UIShell.CommServerService.Utility;
using System.ComponentModel;
namespace UIShell.CommServerService.Protocol.Scata30.Message
{
[Description("读取单一表响应")]
public class Scata30ReadMeterResponseMessageBody : Scata30MessageBody
{
public Scata30ResponseStatus ResponseStatus;
/// <summary>
/// 表数据，同读取多表的数据类似。
/// </summary>
public byte[] MeterBodyContent;
public Scata30ReadMeterResponseMessageBody()
{
}
protected override bool TryParseWithoutCheckCode(byte[] bodyContent)
{
if (bodyContent == null || bodyContent.Length == 0)
{
_log.Error(string.Format(UIShell.CommServerService.Properties.Resources.
ParseMessageBodyFailed, ProtocolUtility.BytesToHexString(bodyContent)));
return false;
}
if (bodyContent.Length == 1)
{
if (bodyContent[0] != (byte)Scata30ResponseStatus.Failed)
{
_log.Error(string.Format(UIShell.CommServerService.Properties.Resources.
ParseMessageBodyFailed, ProtocolUtility.BytesToHexString(bodyContent)));
return false;
}
else
{
ResponseStatus = (Scata30ResponseStatus)bodyContent[0];
}
}
else
{
ResponseStatus = Scata30ResponseStatus.Success;
MeterBodyContent = bodyContent;
}
return true;
}
protected override byte[] ToContentWithoutCheckCode()
{
if (ResponseStatus == Scata30ResponseStatus.Failed)
{
return new byte[] { (byte)ResponseStatus };
}
return MeterBodyContent;
}
public override string ToString()
{
return string.Format("状态={0}，表数据={1}",
EnumDescriptionHelper.GetDescription(ResponseStatus), ProtocolUtility.BytesToHexString(MeterBodyContent));
}
}
}
4.2 通讯协议的组成——RoundTrip（往返）
通讯服务器与硬件的通讯过程是由一组的对话来实现的，每一组对话都是问答式的方式来完成。我们把一次问答式的对话用RoundTripBase这个类型来表示。问答式的对话又分成主动式（ActiveRoundTrip）和被动式（PassiveRoundTrip），即服务器发起然后硬件响应，或者硬件发起服务器响应。有时，一次问答式的对话可能需要由若干组的子对话来实现，我们称其为组合对话（CompositeRoundTripBase）。有关通讯协议对话过程涉及的基类设计如下。
对话RoundTripBase的详细设计如下所示，它由优先级、时间戳属性组成，提供了Start方法表示会话开始，以及OnCompleted和OnError事件。RoundTripQueue则是对话队列，它严格限制通讯协议每次只能执行一个RoundTrip，不能交叉运行，这个RoundTripQueue是一个线程安全的，因为通讯协议会被远程通讯线程、协议线程、UI线程等线程来访问。
4.3 协议的RoundTrip实现
在本系统中，我们使用SCATA 3.0通讯协议，这里我们实现了2个基类：Scata30ActiveRoundTrip和Scata30PassiveRoundTrip。
在Scata30ActiveRoundTrip中，它在Start方法中，将利用StreamAdapter来从通讯信道中获取一条消息，一旦消息解析成功后，将发送响应消息包。这个对话，一旦中间发生错误或者超时，将重试若干次。同理，Scata30PassiveRoundTrip也是如此实现。
接下来，我们根据通讯协议，定义了如下的对话。
下面我们来看一个对话的实现。
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using UIShell.CommServerService.Protocol.Scata30.Message;
using UIShell.CommServerService.Utility;
using System.ComponentModel;
namespace UIShell.CommServerService.Protocol.Scata30.RoundTrip
{
[Description("读取指定时间点表数据")]
public class Scata30ReadHistoricalMeterRoundTrip : Scata30HasNextActiveRoundTrip<Scata30ReadHistoricalMeterMessageBody, Scata30ReadHistoricalMeterResponseMessageBody>
{
public DateTime HistoricalDateTime;
public Scata30ReadHistoricalMeterRoundTrip(
ushort destinationAddress,
ushort destinationZigbeeAddress,
DateTime timeStamp,
Scata30Protocol protocol)
: base(destinationAddress, destinationZigbeeAddress, new Scata30Message<Scata30ReadHistoricalMeterMessageBody>(Scata30MessageType.ReadMeterByDate, protocol.MasterStationAddress, destinationAddress, 0, DateTime.Now, new Scata30ReadHistoricalMeterMessageBody(timeStamp)), Scata30MessageType.ReadMeterByDateResponse, protocol)
{
HistoricalDateTime = timeStamp;
}
public override void ReceiveResponseMessages()
{
base.ReceiveResponseMessages();
foreach (var message in ReceivedResponseMessages)
{
if (!message.Body.HistoricalDateTime.Equals(HistoricalDateTime))
{
_log.Error(string.Format("Read the historical meter content error since the date time mismatched. The require date time is '{0}', return by concentrator is '{1}'", HistoricalDateTime.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"), message.Body.HistoricalDateTime.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")));
// throw new Exception("Parse message error since historical date time mismatched.");
}
}
}
}
}
4.4 通讯协议的实现
通讯协议的实现类图如下所示，由于通讯协议与通讯方式、业务逻辑无关，因此，在这里我们引入StreamAdapter和StreamProvider来屏蔽这些上下文。StreamAdapter的功能是获取一条消息和发送一条消息，StreamProvider则是为不同通讯方式提供通讯流。
下面我来描述协议类的关键实现。协议类内部有一个线程来实现与硬件的通讯。这个线程会一直运行，然后从对话队列中不停获取RoundTrip，一旦获取的RoundTrip不会空，则运行这个RoundTrip，否则线程进入休眠状态。
public bool Start()
{
if (_started)
{
return true;
}
FireOnStarting();
try
{
CommStreamProvider.Start();
}
catch (Exception ex)
{
_log.Error("Start the communication provider failed.", ex);
return false;
}
_thread = new Thread(() => {
RoundTripBase roundTrip;
while (!_exited)
{
Monitor.Enter(_queue.SyncRoot);
roundTrip = Dequeue();
if (roundTrip != null)
{
try
{
Monitor.Exit(_queue.SyncRoot);
OnRoundTripStartingHandler(this,
new RoundTripEventArgs() { RoundTrip = roundTrip });
roundTrip.Start();
}
catch (ThreadAbortException)
{
Trace("通讯线程被终止。");
throw;
}
catch (Scata30StreamException ex) // 无法获取Stream的时候，直接退出
{
_exited = true;
roundTrip.Trace("会话失败，因为：连接已经关闭。");
}
catch (Exception ex)
{
string error = GetErrorMessage(ex);
roundTrip.Trace(string.Format("会话失败，因为：{0}。", error));
}
if (!_exited)
{
roundTrip.Trace(Environment.NewLine);
OnRoundTripStartedHandler(this,
new RoundTripEventArgs() { RoundTrip = roundTrip });
}
else
{
// 1 将当前失败的RoundTrip保存入队
FailedRoundTrips.Enqueue(roundTrip);
// 2 保存其它没有处理的RoundTrip
do
{
roundTrip = _queue.Dequeue();
if (roundTrip != null)
{
FailedRoundTrips.Enqueue(roundTrip);
}
} while (roundTrip != null);
// 3 停止当前协议
Stop();
}
// 执行完RoundTrip后，开始清理资源
roundTrip.Dispose();
}
else
{
Monitor.Exit(_queue.SyncRoot);
OnIdleHandler(this, new RoundTripEventArgs());
_autoResetEvent.WaitOne();
}
}
});
_thread.Start();
_started = true;
FireOnStarted();
return true;
}
执行对话，是以异步的方式来进行，通过事件进行通知。如下所示。
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using UIShell.CommServerService.Protocol.Scata30.RoundTrip;
using UIShell.CommServerService.Protocol.Scata30.Message;
namespace UIShell.CommServerService.Protocol.Scata30
{
public partial class Scata30Protocol
{
public Scata30SetConcentratorTimeRoundTrip SetConcentratorTime(
ushort concentratorAddress,
ushort concentratorZigbeeAddress,
DateTime timeStamp,
EventHandler<RoundTripEventArgs> onMessageSend,
EventHandler<RoundTripEventArgs> onCompleted,
EventHandler<RoundTripEventArgs> onError)
{
var roundTrip = new Scata30SetConcentratorTimeRoundTrip(
concentratorAddress,
concentratorZigbeeAddress,
timeStamp,
this);
if (onMessageSend != null)
{
roundTrip.OnMessageSend += onMessageSend;
}
if (onCompleted != null)
{
roundTrip.OnCompleted += onCompleted;
}
if (onError != null)
{
roundTrip.OnError += onError;
}
Enqueue(roundTrip);
return roundTrip;
}
}
}
这个通讯协议的实现非常优雅，在维护的过程中，通讯指令的变更和通讯方式的转变，都不需要再修改协议和RoundTrip本身，只需要对消息体进行变更并增加新的StreamProvider，并在上层的业务逻辑进行实现。
