一類多線程綜合通信管理器的設計和實現

陳容華 李方方

摘 要：文章提出了在計算機系統工程中廣泛應用的集網絡通信與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方法，并描述了個部分的執行流程。

關鍵詞：多線程；網絡通信；串口通信；.Net；C#

隨著互聯網與物聯網技術的應用，各種與之相應的新技術和新應用層出不窮。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信息進行采集、存儲及在網絡上進行傳輸。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場設備進行相連，這類通信管理器廣泛應用于工業現場的數據采集和信息傳輸系統中。目前工程上開發的這類通信管理器都與具體的項目直接關聯，也就是與具體系統的數據傳輸規約直接關聯，這一類系統應用較好的通信控制器往往不能方便地移植到其他系統，嚴重制約了其推廣應用[1]。本文敘述設計和實現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據通信規約與通信服務進行徹底分離，確保開發出的通信管理器更加具有通用性。涉及實現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，本通信服務器都能夠為這些不同類型的客戶端提供數據服務。

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

1 功能需求

前置通信服務器功能要求如下：（1）接收來自經授權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據報文，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）轉發給有關現場設備。（4）接收現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

2.1 RS232通信實現

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

實際編程實現時，除需要設置這些屬性參數外，還需要調用SerialPort控件的常用函數。

SerialPort控件的常用事件為DataReceived，用該函數直接處理SerialPort 對象的數據接收事件。

系統啟動后，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、數據位、校驗位、停止位。然后調用open函數打開串口。當串口SerialPort控件偵聽到有數據時，觸發DataReceived事件，啟動數據接收函數，將緩沖區的數據字節都入到一個數組中，然后通過該其他通信方式轉發到后臺客戶機中，并將這些通信報文存儲在本地日志文件中。

2.2 Socket控件類

本系統的網絡通信基于TCP/IP協議，一般此類協議實現的基本流程為：首先在服務器端新建一個通信套接字，服務器處于等待監聽狀態，但服務器端serverSocket并不定位具體的客戶端socket，而是實時監控網絡的狀態。當客戶端的某個連接套接字clientSocket向服務器發送連接請求（其目標是服務器的serverSocket）時，clientSocket必須知道serverSocket的地址和端口號，發出連接請求。當服務器socket監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。上述流程的實現都通過事件觸發產生。

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場的監控設備，因此，本系統同時具備服務器和客戶機雙重通信功能，無疑增加了系統的復雜性。因此，本系統設計主要思想為：利用C#控件為服務器端實現與后臺客戶機進行通信，而通過創建若干個Socket對象來與現場監控設備（作為服務端，處在偵聽狀態，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，定時監測現場設備是否上線，當現場設備上線后，由于這些設備IP地址是固定的，通信服務器將循環掃描每個設備的上線狀態，并對未連接成功的遠端發起連接，如果檢測到連接成功狀態，將這些套接字放入一個Socket隊列中[3]。

程序執行中，當某一Socket有數據輸入時，啟動觸發事件，在DataArrival函數中讀入網絡中遠端的數據，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。正好在C#中，針對網絡通信，提供了一個專門的類Tcplistener，這個類是對Socket Tcp協議封裝的接口，更便于用戶的開發。利用Tcplistenner類的各類函數，編程要點描述如下。

（1）建立Tcp監聽器TcpListener對象。

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

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

（2）調用serverListenner對象的Start函數啟動偵聽。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方法獲取客戶端發送的數據

byte [] resData = new byte[2048]；

int kLen = s.Receive（resData）；

（5）通過Socket的Send方法向客戶端發送數據

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

mySocket .Send（sendData）；

程序將定時掃描各個連接套接字，如有遠程端點發過來的數據，則啟動接受程序，讀入數據，并存入緩存中，待其他線程處理。

3 結語

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，系統設計運用了各類控件技術和多線程編程技術。并用C#編程語言，實現了最終的系統。經實際運行測試，系統穩定可靠。

[參考文獻]

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

[2]尹圣雨.TCP/IP網絡編程[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[3]邢彥辰.數據通信與計算機網絡[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.