一類多線程綜合通信管理器的設計和實現(xiàn)

陳容華 李方方

摘 要：文章提出了在計算機系統(tǒng)工程中廣泛應用的集網(wǎng)絡通信與RS232串口通信等綜合信道通信管理器的功能需求，敘述了該通信管理器既可以作為通信服務器，又可以作為局域網(wǎng)前端通信控制器的具體工作模式，給出了該通信管理器的設計思路和具體實現(xiàn)方法，并描述了個部分的執(zhí)行流程。

關鍵詞：多線程；網(wǎng)絡通信；串口通信；.Net；C#

隨著互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用，各種與之相應的新技術(shù)和新應用層出不窮。但歸根到底，所有的應用都是基于對相關設備的運行和狀態(tài)信息進行采集、存儲及在網(wǎng)絡上進行傳輸。在當前的實際工程項目中，需要有這樣一類通信前置服務器，即可以與后臺客戶端進行通信，充當前端通信服務器，接收并處理來自這些客戶端的各類請求。另一方面，這種通信服務器又需要作為客戶端，與作為服務器端的現(xiàn)場設備進行相連，這類通信管理器廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和信息傳輸系統(tǒng)中。目前工程上開發(fā)的這類通信管理器都與具體的項目直接關聯(lián)，也就是與具體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約直接關聯(lián)，這一類系統(tǒng)應用較好的通信控制器往往不能方便地移植到其他系統(tǒng)，嚴重制約了其推廣應用[1]。本文敘述設計和實現(xiàn)一種通用型的通信管理器的思路和方法，這種通信管理器將具體的數(shù)據(jù)通信規(guī)約與通信服務進行徹底分離，確保開發(fā)出的通信管理器更加具有通用性。涉及實現(xiàn)的通信服務器可接入不同類型的客戶端，盡管這些客戶端采用不同的通信技術(shù)，本通信服務器都能夠為這些不同類型的客戶端提供數(shù)據(jù)服務。

該通信管理器系統(tǒng)基于TCP/IP通信協(xié)議，使用較為成熟的開發(fā)平臺Visual studio IDE。圍繞提供了多種屬性和操作函數(shù)的Microsoft WinSocket控件及串口空間來編寫代碼，同時考慮系統(tǒng)通信的實時性，運用了多線程技術(shù)。

1 功能需求

前置通信服務器功能要求如下：（1）接收來自經(jīng)授權(quán)的客戶端的連接請求，與客戶端建立TCP連接。（2）接收來自客戶端的數(shù)據(jù)報文，存儲、顯示并實時處理這些報文。（3）將這些報文通過各類接口（串口或Can總線等）轉(zhuǎn)發(fā)給有關現(xiàn)場設備。（4）接收現(xiàn)場運行的有關設備的上傳的各類報文信息，并將此報文信息進行存儲處理，同時回傳給客戶端[2]。

2 設計與實現(xiàn)

2.1 RS232通信實現(xiàn)

通信管理器的RS232通信部分使用了C#提供的SerialPort控件來實現(xiàn)對串口通信過程進行控制。該控件的命名空間為System.IO.Ports。

實際編程實現(xiàn)時，除需要設置這些屬性參數(shù)外，還需要調(diào)用SerialPort控件的常用函數(shù)。

SerialPort控件的常用事件為DataReceived，用該函數(shù)直接處理SerialPort 對象的數(shù)據(jù)接收事件。

系統(tǒng)啟動后，將首先初始化串口，設置串口號（支持多個串口同時通信）、通信波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位。然后調(diào)用open函數(shù)打開串口。當串口SerialPort控件偵聽到有數(shù)據(jù)時，觸發(fā)DataReceived事件，啟動數(shù)據(jù)接收函數(shù)，將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)字節(jié)都入到一個數(shù)組中，然后通過該其他通信方式轉(zhuǎn)發(fā)到后臺客戶機中，并將這些通信報文存儲在本地日志文件中。

2.2 Socket控件類

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信基于TCP/IP協(xié)議，一般此類協(xié)議實現(xiàn)的基本流程為：首先在服務器端新建一個通信套接字，服務器處于等待監(jiān)聽狀態(tài)，但服務器端serverSocket并不定位具體的客戶端socket，而是實時監(jiān)控網(wǎng)絡的狀態(tài)。當客戶端的某個連接套接字clientSocket向服務器發(fā)送連接請求（其目標是服務器的serverSocket）時，clientSocket必須知道serverSocket的地址和端口號，發(fā)出連接請求。當服務器socket監(jiān)聽到或者是收到客戶端socket的連接請求時，服務器就立即響應客戶端的請求（有時可根據(jù)安全需要，拒絕客戶端的連接請求），建立一個新的Socket，把服務器Socket發(fā)送給客戶端，一旦客戶端確認連接，則連接建立。上述流程的實現(xiàn)都通過事件觸發(fā)產(chǎn)生。

由于前置通信服務器既需要為后臺客戶端提供接入服務，同時需要請求連接現(xiàn)場的監(jiān)控設備，因此，本系統(tǒng)同時具備服務器和客戶機雙重通信功能，無疑增加了系統(tǒng)的復雜性。因此，本系統(tǒng)設計主要思想為：利用C#控件為服務器端實現(xiàn)與后臺客戶機進行通信，而通過創(chuàng)建若干個Socket對象來與現(xiàn)場監(jiān)控設備（作為服務端，處在偵聽狀態(tài)，IP地址與端口號已知）進行連接。

為此，在通信服務器上，設置一個定時器，如50 ms，定時監(jiān)測現(xiàn)場設備是否上線，當現(xiàn)場設備上線后，由于這些設備IP地址是固定的，通信服務器將循環(huán)掃描每個設備的上線狀態(tài)，并對未連接成功的遠端發(fā)起連接，如果檢測到連接成功狀態(tài)，將這些套接字放入一個Socket隊列中[3]。

程序執(zhí)行中，當某一Socket有數(shù)據(jù)輸入時，啟動觸發(fā)事件，在DataArrival函數(shù)中讀入網(wǎng)絡中遠端的數(shù)據(jù)，放入某一隊列，由其他進程進行處理。

2.3 Tcplistener類與多線程

通信服務器需要對后臺管理機進行通信，此時，又要將它設置成服務模式，為此，需采用多線程技術(shù)。正好在C#中，針對網(wǎng)絡通信，提供了一個專門的類Tcplistener，這個類是對Socket Tcp協(xié)議封裝的接口，更便于用戶的開發(fā)。利用Tcplistenner類的各類函數(shù)，編程要點描述如下。

（1）建立Tcp監(jiān)聽器TcpListener對象。

TcpListener serverListenner = new TcpListener （IPAddress.Any， IPAddr，Port）；

其中IPAddress.Any是固定參數(shù)，IPAddr為本服務器的IP地址，Port為端口號。

（2）調(diào)用serverListenner對象的Start函數(shù)啟動偵聽。此時，新建一個新的線程tNetClient，定義為客戶端連接線程，并且啟動該線程。具體代碼如下。

listener.Start（）；

tNetClient = new Thread（AcceptClient）；

tNetClient.IsBackground = true；

tNetClient.Start（）；

（3）當有客戶端連接進來，執(zhí)行客戶端連接線程，具體代碼如下。

private void AcceptClient（）{

while （true）

{

TcpClient thisClient = listener.AcceptTcpClient（）；

winSocketClients.Add（thisClient）；

}

}

（4）通過Socket的Receive方法獲取客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)

byte [] resData = new byte[2048]；

int kLen = s.Receive（resData）；

（5）通過Socket的Send方法向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)

byte[] sendData=System.Text.Encoding.Default.GetBytes（“text”）；

mySocket .Send（sendData）；

程序?qū)⒍〞r掃描各個連接套接字，如有遠程端點發(fā)過來的數(shù)據(jù)，則啟動接受程序，讀入數(shù)據(jù)，并存入緩存中，待其他線程處理。

3 結(jié)語

本文針對既需要為多個后臺工作站提供通信服務，又要同時接入多個遠程服務器的需求，設計出符合功能需求的綜合通信管理器，系統(tǒng)設計運用了各類控件技術(shù)和多線程編程技術(shù)。并用C#編程語言，實現(xiàn)了最終的系統(tǒng)。經(jīng)實際運行測試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

[參考文獻]

[1]詹姆斯·庫羅斯.計算機網(wǎng)絡：自頂向下方法[M].7版.北京：機械工業(yè)出版社，2018.

[2]尹圣雨.TCP/IP網(wǎng)絡編程[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[3]邢彥辰.數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[4]Chenjx2014.RS-232通信程序設計[EB/OL].（2017-03-09）[2018-12-24].https：//blog.csdn.net/haitaolang/article/details/60956456.