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在程式設計與實際應用中，Socket資料包接收伺服器夠得上一個經典問題了：需要計算機與網絡程式設計知識（主要是Socket），與業務處理邏輯密切（如：包組成規則），同時還要兼顧系統運作的穩定、效率、安全與管理等。具體應用時，在滿足業務處理邏輯要求的基礎上，存在側重點：有些需要考慮并發與效率，有些需要強調穩定與可靠等等。雖然.NET 2.0 Framework上的IOCP（I/O完成端口）異步技術可以有效解決并發等問題，但完全的異步模式也缺乏一些控制上的靈活性，例如：Socket暫停操作等。
今年暑假，筆者修改了原Socket接收伺服器代碼，即EMTASS 1.1。最近，又按架構的可擴充性、可重用性等要求重新構思和設計了EMTASS，即EMTASS 2.0。下面的介紹共分六個部分：
<a href="http://blog.csdn.net/hulihui/article/details/3158613#chap1">總體思路與架構</a>
<a href="http://blog.csdn.net/hulihui/article/details/3158613#chap2">關鍵實作技術</a>
<a href="http://blog.csdn.net/hulihui/article/details/3158613#chap3">架構使用簡介</a>
<a href="http://blog.csdn.net/hulihui/article/details/3158613#chap4">一般測試結果</a>
<a href="http://blog.csdn.net/hulihui/article/details/3158613#chap5">總結與展望</a>
<a href="http://blog.csdn.net/hulihui/article/details/3158613#chap6">版本與源碼</a>
總體構思上，主要考慮多線程、異步Socket和可擴充性三個方面。
在Internet環境下的Socket應用中，用戶端和網絡容易出現異常，此時必須釋放異常退出的Socket資源。考慮到伺服器的高并發能力，一般采取包接收和處理分開的政策：将接收到的包添加到包隊列，然後處理隊列中的資料包。當然，偵聽遠端用戶端的連接配接請求可以用Socket的AcceptAsync()異步方法（IOCP，I/O完成端口由此開始）。考慮到暫停、關閉同步操作，仍然用一個線程。這樣，清理資源、處理資料包、偵停客戶連接配接請求就是組成了EMTASS架構的三個核心線程，它們由.NET線程池統一管理：
用戶端連接配接偵聽線程 StartServerListen()：循環偵聽遠端用戶端的Socket連接配接請求。如果存在，通過适當規範性判斷後建立該Socket的用戶端會話TSessionBase對象（實際上是該類的派生類對象），同時調用該會話對象的Socket異步資料接收方法BeginReceive()，接收到的資料包存放在會話對象的包隊列中。當然，新增的TSessionBase對象将添加到會話隊列m_sessionTable（一個Dictionary<>泛型對象）中，該隊清單就是清理和處理線程的周遊對象；
資料包處理線程 CheckDatagramQueue()：循環檢測TSessonBase隊列中的會話對象，調用該對象的相關方法完成資料包解析、判斷類型、資料存儲等任務；
會話表檢測線程 CheckSessionTable()：循環檢查會話表m_sessionTable中的各個會話對象，分步驟清理已經逾時、無效或異常的會話對象，清理會話對象的緩沖區，釋放其Socket資源。
.NET Framework中的Socket具有完整的異步處理能力：偵聽後異步接收（AcceptAsync()）、資料異步接收（BeginReceive()）、資料異步發送（BeginSend()）等。EMTASS架構采取了異步接收和發送方式，并封裝在TSessionBase類中。在EMTASS的版本1.0、1.1中，這些方法在主類TSocketServerBase中實作，顯然不符合類封裝原則。
可擴充性主要考慮不同的業務處理邏輯和應用場景，即：資料包格式、資料存儲方法、資料庫伺服器等。架構EMTASS的可擴充性展現在類的泛型與抽象設計、方法虛拟和保護等方面：
抽象類：會話基類TSessionBase、資料庫基類TDatabaseBase均是抽象類，分别提供了資料包分析與判斷、資料存儲的虛拟方法；
泛型類：主要基類TSocketServerBase有TSessionBase、TDatabaseBase兩個泛型限制參數，可以根據這兩個抽象類的派生類産生具體的伺服器類型；
方法抽象(abstract)：TSessionBase的資料包分析方法AnalyzeDatagram()、TDatabaseBase的資料庫打開方法Open()均是抽象的，必須在派生類中根據業務處理邏輯和資料庫類型重寫；
方法保護(protected)：與事件處理有關的方法、與業務處理邏輯相關的方法全部是protected方法，可以根據實際情況重寫。
(圖1 主要類層次關系)
按應用類别分，EMTASS主要有四組類：Socket伺服器類、Session會話類、Database資料庫類和枚舉類型。
Socket伺服器類
伺服器泛型類 TSocketServerBase：該類包括了一個伺服器Socket對象、一個TDatabaseBase派生類對象、一個會話TSessionBase類派生對象的清單（Dictionary<>泛型對象），封裝了TDatabaseBase、TSessionBase的全部事件，提供統一的對外公開接口和事件；
泛型參數：伺服器基類TSocketServerBase有兩個泛型參數：TSessionBase類和TDatabaseBase類，定制它們的派生類後可以确定泛型類的具體版本。
用戶端會話類
會話核心成員類 TSessionCoreInfo：是TSessionBase的基類，包括會話的核心字段：登入時間、最近會話時間、IP位址、用戶端名、對象狀态等，是會話清單清單和事件參數的基類之一。該類的成員字段全部是protected的，需要在派生類中賦予具體值；
抽象會話類 TSessionBase：封裝了用戶端Socket、資料接收緩沖區、資料包緩沖區、資料包隊列等資料結構，包括了與用戶端通信相關的全部方法：資料接收與發送、資料包處理等。
資料庫類
抽象資料庫基類 TDatabaseBase：封裝了資料庫打開與關閉、異常事件處理等方法，其中資料連接配接屬性DbConnection是虛屬性、資料庫打開方法Open()是抽象方法，需要在派生類中重寫；
基類TSqlServerBase：派生自TDatabaseBase，應用System.Data.SqlClient名稱空間中SqlServer相關類型重定義了資料庫連接配接屬性DbConnection、重寫了Open()方法；
基類TOleDbDatabaseBase：派生自TDatabaseBase，應用System.Data.OleDb名稱空間中OleDb資料通路相關類型重定義了基類的連接配接屬性DbConnection、重寫了Open()方法
枚舉類型
會話狀态類型 TSessioinState：取4個值：Valid、Invalid、Shutdown和Closed。為Valid時表示會話是有效的，為Invalid時表示會話将被清理，為Shutdown時表示會話Socket正在解除安裝，為Closed時表示會話已經關閉、資源已經清理；
會話斷開類型 TDisconnectType：取3個值：Normal、Timeout和Exception，分别表示正常連接配接、逾時斷開、異常斷開。其中，逾時表示最近兩次會話接收資料的時間超過約定的時限，防止某些會話長時間占有資源。
(圖2 事件參數類層次關系)
EMTASS架構的事件包括三類：第一，普通事件，如：伺服器啟動與停止；第二，異常事件，接收與發送資料異常、資料庫連接配接或資料存儲異常等；第三，與會話相關事件，如：增加會話對象、接收到一個合法資料包等。異常與會話結合即是會話異常事件。通過泛型委托EventHandler可以定義類事件，其中的事件參數類型如下：
異常事件參數類 TExceptionEventArgs：封裝了異常Exception對象的Message值；
會話事件參數類 TSessionEventArgs：封裝了一個TSessionCoreInfo對象；
會話異常參數類 TSessionExceptionEventArgs：派生自TSessionEventArgs，包括異常消息字段Message。
下面介紹主要類TSocketServerBase和輔助類TSessionBase、TDatabaseBase中的主要實作方法。
該類包括了全部的對外接口和事件，主要實作前面介紹過的三個線程。
.NET 提供了線程池方法 ThreadPool.QueueUserWorkItem() 自動将委托對象添加到系統線程池，見如下的實作代碼：
其中, 用戶端連接配接請求偵聽方法StartServerListen()、資料包隊列檢查方法CheckDatagramQueue()和會話表檢查方法CheckSessionTable()均使用循環處理方式，循環條件是m_serverClosed為false。隻有該類的Close()方法可以中斷這三個線程。在Close()方法中設定m_serverClosed為true終止線程的同時，還需要考慮線程退出的同步問題，此時使用手工事件信号對象ManualResetEvent。參考如下資料包隊列檢查線程方法的代碼：
上述代碼是不安全的，一般要需要try{}finally{}保證事件信号對象Reset()與Set()比對。但EMTASS中的三個線程方法均有自己的異常處理方式，不會抛出異常。下面是關閉伺服器方法Close()的主要代碼。在設定變量了m_serverCloed為true後，使用了三個事件信号等待，同步三個線程的正常終止。
建立會話對象後，三種情況需要終止會話：1）關閉伺服器；2）會話異常；3）會話逾時。第1種情況将強制終止會話，第2、3種情況需要清理線程終止會話并釋放其資源。為防止立即關閉Socket引發的異常，系統分3個步驟完成：1）标記該會話為Invalid，此時停止一切與該會話的處理操作；2）調用Shutdown()方法：Shutdown會話Socket，标記會話狀态為Shutdown；3）調用Close()方法：清除會話緩沖區和資料包隊列，釋放Socket資源，從會話表中删除該對象。具體操作可以參考TSocketServerBase類中的CheckSessionTable()方法。
EMTASS架構的所有事件，包括TSessionBase類和TDatabaseBase類的事件，都通過伺服器類TSocketServerBase對外釋出。在建立會話對象或資料庫對象時，直接傳遞其事件給TSocketServerBase的相同委托事件，見如下代碼舉例：
上述代碼中，将TSessionBase派生類對象session的兩個事件直接綁定（使用+=方法）到目前TSocketServerBase對象上。具體實作代碼可以參考TSocketServerBase的初始化方法Initiate()和添加會話對象方法AddSession()。
該抽象類包括用戶端Socket、資料接收緩沖區和資料包隊列等成員，封裝了所有與Socket通信的方法。該類還包括資料包處理方法：資料包解析保護方法ResolveSessionBuffer()和資料包分析虛拟方法AnalyzeDatagram()。
TSessionBase包括兩個資料接收緩沖區和一個資料包隊列：
m_receiveBuffer緩沖區：接收用戶端Socket資料的緩沖區，如果資料包比該緩沖區長，Socket将自動（異步）讀取幾次，每次用方法CopyToDatagramBuffer暫到資料包緩沖區m_datagramBuffer中；
m_datagramBuffer緩沖區：如果m_receiveBuffer接收了非完整的資料包，則使用該緩沖區暫存，直到獲得一個完整資料包。一般情況下，設定m_receiveBuffer大于資料包長度，則一次可以接收一個完整包，此時該緩沖區為空。此外，該緩沖區大小根據資料包的長度動态增長；
m_datagramQueue包隊列：位元組數組的隊列（Queue<>泛型），儲存了目前會話的資料包（位元組數組），等待處理線程分析與處理。在EMTASS 1.0與1.1中，該隊列結構封裝在TSocketServerBase内。這種設計增加了TSessionBase類與TSocketServerBase類的偶合程度。
該方法是protected的，可以根據資料包結構與具體業務邏輯重寫代碼。在TSessionBase類中實作的包組成規則是：開始字元是<結束字元是>。特别指出，Socket通信中有兩個必須考慮的著名問題：
資料包界限問題：資料包字元串（位元組數組）如何界限？在交通部的Socket通信協定中，用<>分别作為一個包的開始與結束字元；
資料包廂斷與重疊問題：由于網絡或裝置故障，一個資料包可能分兩次接收。另一種情況就是連續接收到多個資料包。第一種情況，需要先緩存接收到的包直到一個完整的資料包。第二種情況，則需要根據包界限符号分解一個個的包。
該抽象方法是TSessionBase類必須重寫的方法，也是EMTASS架構擴充的主要接口，應該完成如下基本任務：
判斷資料包的有效性與包類型；
分解包中的各字段資料；
校驗包及其資料有效性；
發送确認消息給用戶端(調用方法 SendDatagram())；
存儲包資料到資料庫中；
如果資料包中存在用戶端名稱或編号，則填寫m_name字段。
該抽象類定義了3個資料庫異常處理事件：DatabaseOpenException、DatabaseCloseExeption和DatabaseException，以及4個public方法：Open()、Close()、Clear()和Store()。其中，Open()是抽象方法，在派生類中可以增加自己的代碼（見demo的實作部分），Close()方法關閉資料庫連接配接，Clear()方法在Close()中被調用——關閉資料庫前清理相關資源，虛方法Store()用于資料存儲。EMTASS架構給出了該基類的兩個派生類：TSqlServerBase和TOleDatabaseBase，可以滿足一般的資料庫應用需求。
EMTASS架構的使用包括如下步驟：
定制滿足需求的TSqlServerBase或TOleDatabaseBase派生類
增加成員字段，如：DbCommand、DbDataAdapter等；
重寫TDatabaseBase類的虛拟方法Store()，編寫儲存資料包到資料庫中的實作代碼；
在TSessionBase的AnalyzeDatagram()方法中直接或間接調用Store()方法。
定制滿足業務處理邏輯的TSessionBase派生類
重寫ResolveSessionBuffer()方法，按照資料包規則提取緩沖區中的資料封包，并存儲到包隊列中；
重寫AnalyzeDatagram()方法，按前面的要求增加功能。
定制滿足需求的TSocketServerBase派生類
定義TSocketSErverBase泛型類的派生類（該步可省略）；
建立泛型類的派生類對象，在構造函數中給出資料庫連接配接字元串和TCP通信端口；
設定泛型類的派生類對象的最大資料包長度等參數；
實作泛型類的派生類對象的相關事件處理方法。
泛型類TSocketServerBase提供了EMTASS架構的所有對外接口（屬性、方法和事件），包括内聯TSessionBase對象和TDatabaseBase對象的對外屬性和事件。
有兩個重載版本，預設端口3130。考慮到可擴充性，必須給出資料庫連接配接串，見如下代碼：
構造函數中的方法Initiate()完成具體的初始化任務。
<code>ServerPort</code>：伺服器端口号，預設值為3130
<code>Closed</code>：伺服器已經關閉
<code>ListenPaused</code>：伺服器暫時停止用戶端連接配接請求
<code>LoopWaitTime</code>：Socket.Listen方法中的等待時間(ms)，預設值為25ms
<code>MaxDatagramSize</code>：允許資料包的最大長度，預設值為1024K
<code>MaxListenQueueLength</code>：最大偵聽隊列長度，預設值為16
<code>MaxReceiveBufferSize</code>：允許資料包接收緩沖區的最大長度，預設值為16K
<code>MaxSameIPCount</code>：允許同位址IP的會話Socket個數，預設值為64
<code>MaxSessionTableLength</code>：允許最大會話表長度，預設值為1024
<code>MaxSessionTimeout</code>：允許最大的會話逾時間隔(s)，預設值為120s
<code>ErrorDatagramCount</code>：錯誤資料包個數
<code>ReceivedDatagramCount</code>：接收資料包個數
<code>ServerExceptionCount</code>：伺服器異常次數
<code>SessionCount</code>：目前會話個數
<code>SessionExeptionCount</code>：會話異常個數
<code>SessionCoreInfoList</code>：目前會話表資訊清單
<code>Start()</code>：啟動伺服器
<code>Stop()</code>：關閉伺服器
<code>PauseListen()</code>：暫停偵聽連接配接請求
<code>ResumeListen()</code>：恢複偵聽連接配接請求
<code>Dispose()</code>：關閉伺服器并釋放系統資源
<code>CloseSession()</code>：關閉一個會話
<code>CloseAllSessions()</code>：關閉全部會話
<code>SendToSession()</code>：給一個會話發送消息
<code>SendToAllSessions()</code>：給所有會話發送消息
<code>DatabaseCloseException</code>：資料庫關閉異常
<code>DatabaseException</code>：資料庫異常
<code>DatabaseOpenException</code>：資料庫打開異常
<code>DatagramAccepted</code>：接受了一個完整資料包
<code>DatagramDelimiterError</code>：資料包界限符錯誤
<code>DatagramError</code>：資料包錯誤
<code>DatagramHandled</code>：處理了一個資料包
<code>DatagramOversizeError</code>：資料包超長錯誤
<code>ServerStarted</code>：伺服器啟動後
<code>ServerClosed</code>：伺服器關閉後
<code>ServerListenPaused</code>：伺服器暫停連接配接請求後
<code>ServerListenResumed</code>：伺服器恢複連接配接請求後
<code>ServerException</code>：伺服器異常
<code>SessionRejected</code>：連接配接請求被拒絕
<code>SessionConnected</code>：建立一個會話連接配接
<code>SessionDisConnected</code>：斷開一個會話連接配接
<code>SessionReceiveException</code>：會話接收資料異常
<code>SessionSendException</code>：會話發送資料異常
<code>SessionTimeout</code>：會話逾時
下載下傳包中包括EMTASS框源代碼和Demo。其中，VS2005的Demo解決方案檔案為EMTASS.sln，包含兩個項目：伺服器項目和用戶端項目。/bin/檔案夾下的編譯檔案可直接運作：先啟動伺服器，然後運作用戶端。
伺服器端包括兩個部分：第一，接收伺服器窗體程式；第二，Access資料庫。伺服器端窗體程式包含如下實作：
TSessionBase派生類TTestSession：重寫了OnDatagramDelimiterError()和OnDatagramOversizeError()事件處理方法，重寫了資料包分析方法AnalyzeDatagram()，增加了一個自定義方法Store()；
TDatabaseBase派生類TAccessDatabase：增加了一個OleDbCommmand字段m_command，重寫了Open()方法和Store()方法。在重寫的Open()方法中，建立了m_command對象及其參數對象，給出了資料庫的Insert語句SQL代碼。重寫的Store()方法中，将TSessionBase的IP、SessionName和資料包長度儲存到Access資料庫中。方法Store()将被TTestSession()的AnalyzeDatagram()方法調用；
TSocketServerBase<>對象：給出資料庫連接配接字元串後，應用前面定義的兩個派生類建立泛型類對象，然後注冊該對象的事件實作方法。注冊的事件方法功能包括：顯示伺服器的如果計數情況，顯示伺服器運作狀态。
伺服器端的主要代碼如下：
下面是伺服器端Demo運作圖檔
建立一個TcpClient對象，模拟遠端用戶端與伺服器通信。下面是用戶端Demo運作圖檔：
機器配置：雙核CPU E2140，主頻1.6G，RAM是1G（含顯示卡記憶體）。
正确性測試
測試方法：用戶端的資料包含有長度串，在伺服器端檢測比較，以此判斷資料包傳輸的正确性；
測試情況：單機啟動伺服器，運作7個用戶端程式，其中3個是幹擾源——連續做連接配接/斷開操作，另4個連續發送資料包。運作約80分鐘檢查，伺服器平均每秒接收15個包，沒有發生異常，也沒有錯誤包，資料包隊列穩定在3以下。
速度測試
測試方法：單機運作伺服器，然後運作20個用戶端程式，用10-50ms的速度發送資料包；
測試情況：運作30分鐘檢查，伺服器平均每秒接收60個包，沒有出現資料包隊列顯著增長等情況。
穩定性測試：用戶端Demo中包含一個連接配接後馬上斷開的連續操作，在這種情況下伺服器端沒有發現異常。此外，筆者在30個用戶端會話情況下運作伺服器1個小時，沒有發生伺服器端異常，但有個别用戶端異常退出。
并發性測試：同時運作了30個用戶端Demo，沒有發生伺服器異常等現象，資料包隊列上限也不超過5。
測試結論： 在一台機器上做測試， EMTASS 2.0接收與處理正确，每秒可以處理60以上的資料包，運作穩定可靠，有較好的并發處理能力。測試中發現的主要問題如下：
CPU占用率很大：顯然是三個線程的循環操作所引起的，在EMTASS1.0、1.1中，使用Thread.Sleep(m_waitTime)等待一段時間。本架構的設計目的是專用Socket伺服器，為提高吞吐能力省略了這個操作。如果必要，在以後版本中添加該功能；
伺服器啟動後拒絕連接配接請求：特别是關閉後再啟動容易發生這種現象，多關閉啟動幾次後卻又恢複正常。筆者估計是伺服器m_serverSocket對象釋放資源不同步的原因；
用戶端連接配接請求被拒絕：有時用戶端發生錯誤後，再連接配接時被拒絕。有兩種可能，第一種是如前所講的伺服器對象的問題；第二種是用戶端Socket接收、發送和斷開時被阻塞，具體原因待分析。出現這種情況後，做多次連接配接/斷開操作還是可以連接配接伺服器。
顯然，這種測試環境和結果有待進一步驗證，但存在較大的改進空間。特别，資料包隊列最大值一般不超過5，表明伺服器接收到包後立即處理，并發性能比較好。
本文介紹的EMTASS 2.0 是筆者一段工作的總結，也是學習基于.NET的類設計、元件設計、模式設計等的一個小結。筆者的目标就是不斷修改和完善，設計與實作一個可靠與穩定的、有良好可擴充性的和易于使用的Socket資料包接收伺服器架構。由于最初的代碼和思路均來自他人的開源架構和設計構思，EMTASS也仿效一般開源做法：公布源碼和設計思路。
EMTASS 1.0, 2005年12月
EMTASS 1.1, 2008年09月
EMTASS 2.0, 2008年10月27日
重設計了類名及類關系，增加了架構的可擴充性，重構了大部分代碼
TSessionBase的資料包隊列取代TSocketServerBase的資料包隊列
TSessionBase中封裝了全部通信方法
EMTASS 2.1, 2008年11月9日
TSocketServerBase增加了如下屬性：
ReceiveBufferSize：接收緩沖區大小（預設16K）
SendBufferSize：發送緩沖區大小（預設16K）
CheckDatagramQueueTimeInterval：資料包處理線程Sleep時間間隔（預設：100ms）
CheckSessionTableTimeInterval：會話資源清理線程Sleep時間間隔（預設：100ms）
TSocketServerBase增加了若幹構造函數，包括最大任務數和緩沖區大小
TSocketServerBase使用了Mutex互斥類，防止同機器建立兩個伺服器
TSessionBase在異步接收/發送完成後，調用IAsyncResult.AsyncWaitHandle.Close()方法
TSessionBase接收資料時，使用BufferManger公共緩沖區ReceivevBuffer
TSessionBase發送資料時，如果據長度小于發送緩沖區，則使用SendBuffer，否則申請位元組數組發送
測試結果：10個幹擾用戶端（100ms連續連開）與15個資料用戶端（3個100K/100ms、3個100K/50ms、4個100K/20ms、2個1M/1s、2個1M/500ms、1個1M/10s），CPU占用率為70-90%，速度為40/s，無錯誤包，直接顯示的連接配接數為30-50之間
QQ：519841366
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