Socket开发框架之数据传输协议

我在前面一篇随笔《Socket开发框架之框架设计及分析》中，介绍了整个Socket开发框架的总体思路，对各个层次的基类进行了一些总结和抽象，已达到重用、简化代码的目的。本篇继续分析其中重要的协议设计部分，对其中消息协议的设计，以及数据的拆包和封包进行了相关的介绍，使得我们在更高级别上更好利用Socket的特性。

1、协议设计思路

对Socket传输消息的封装和拆包，一般的Socket应用，多数采用基于顺序位置和字节长度的方式来确定相关的内容，这样的处理方式可以很好减少数据大小，但是这些处理对我们分析复杂的协议内容，简直是一场灾难。对跟踪解决过这样协议的开发人员来说会很好理解其中的难处，协议位置一旦变化或者需要特殊的处理，就是很容易出错的，而且大多数代码充斥着很多位置的数值变量，分析和理解都是非常不便的。随着网络技术的发展，有时候传输的数据稍大一点，损失一些带宽来传输数据，但是能成倍提高开发程序的效率，是我们值得追求的目标。例如，目前Web API在各种设备大行其道，相对Socket消息来说，它本身在数据大小上不占优势，但是开发的便利性和高效性，是众所周知的。

借鉴了Web API的特点来考虑Socket消息的传输，如果对于整体的内容，Socket应用也使用一种比较灵活的消息格式，如JSON格式来传输数据，那么我们可以很好的把消息封装和消息拆包解析两个部分，交给第三方的JSON解析器来进行，我们只需要关注具体的消息处理逻辑就可以了，而且对于协议的扩展，就如JSON一样，可以自由灵活，这样瞬间，整个世界都会很清静了。

对于Socket消息的安全性和完整性，加密处理方面我们可以采用 RSA公钥密码系统。平台通过发送平台RSA公钥消息向终端告知自己的RSA公钥，终端回复终端RSA公钥消息，这样平台和终端的消息，就可以通过自身的私钥加密，让对方根据接收到的公钥解密就可以了，虽然加密的数据长度会增加不少，但是对于安全性要求高的，采用这种方式也是很有必要的。

对于数据的完整性，传统意义的CRC校验码其实没有太多的用处了，因为我们的数据不会发生部分的丢失，而我们更应该关注的是数据是否被篡改过，这点我想到了微信公众号API接口的设计，它们带有一个安全签名的加密字符串，也就是对其中内容进行同样规则的加密处理，然后对比两个签名内容是否一致即可。不过对于非对称的加密传输，这种数据完整性的校验也可以不必要。

前面介绍了，我们可以参照Web API的方式，以JSON格式作为我们传输的内容，方便序列号和反序列化，这样我们可以大大降低Socket协议的分析难度和出错几率，降低Socket开发难度并提高开发应用的速度。那么我们应该如何设计这个格式呢？

首先我们需要为Socket消息，定义好开始标识和结束标识，中间部分就是整个通用消息的JSON内容。这样，一条完整的Socket消息内容，除了开始和结束标识位外，剩余部分是一个JSON格式的字符串数据。

我们准备根据需要，设计好整个JSON字符串的内容，而且最好设计的较为通用一些，这样便于我们承载更多的数据信息。

 

2、协议设计分析和演化

参考微信的API传递消息的定义，我设计了下面的消息格式，包括了送达用户ID，发送用户ID、消息类型、创建时间，以及一个通用的内容字段，这个通用的字段应该是另外一个消息实体的JSON字符串，这样我们整个消息格式不用变化，但是具体的内容不同，我们把这个对象类称之BaseMessage，常用字段如下所示。

上面的Content字段就是用来承载具体的消息数据的，它会根据不同的消息类型，传送不同的内容的，而这些内容也是具体的实体类序列化为JSON字符串的，我们为了方便，也设计了这些类的基类，也就是Socket传递数据的实体类基类BaseEntity。

我们在不同的请求和应答消息，都继承于它即可。我们为了方便让它转换为我们所需要的BaseMessage消息，为它增加一个MsgType协议类型的标识，同时增加PackData的方法，让它把实体类转换为JSON字符串。

例如我们一般情况下的请求Request和应答Response的消息对象，都是继承自BaseEntity的，我们可以把这两类消息对象放在不同的目录下方便管理。

继承关系示例如下所示。

其中子类都可以使用基类的PackData方法，直接序列号为JSON字符串即可，那个PacketData的函数主要就是用来组装好待发送的对象BaseMessage的，函数代码如下所示：

        /// <summary>
        /// 封装数据进行发送
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        public BaseMessage PackData()
        {
            BaseMessage info = new BaseMessage()
            {
                MsgType = this.MsgType,
                Content = this.SerializeObject()
            };
            return info;
        }

有时候我们需要根据请求的信息，用来构造返回的应答消息，因为需要把发送者ID和送达者ID逆反过来。

        /// <summary>
        /// 封装数据进行发送(复制请求部分数据）
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        public BaseMessage PackData(BaseMessage request)
        {
            BaseMessage info = new BaseMessage()
            {
                MsgType = this.MsgType,
                Content = this.SerializeObject(),
                CallbackID = request.CallbackID
            };

            if(!string.IsNullOrEmpty(request.ToUserId))
            {
                info.ToUserId = request.FromUserId;
                info.FromUserId = request.ToUserId;
            }

            return info;
        }

以登陆请求的数据实体对象介绍，它继承自BaseEntity，同时指定好对应的消息类型即可。

    /// <summary>
    /// 登陆请求消息实体
    /// </summary>
    public class AuthRequest : BaseEntity
    {
        #region 字段信息

        /// <summary>
        /// 用户帐号
        /// </summary>
        public string UserId { get; set; }

        /// <summary>
        /// 用户密码
        /// </summary>
        public string Password { get; set; }

        #endregion

        /// <summary>
        /// 默认构造函数
        /// </summary>
        public AuthRequest()
        {
            this.MsgType = DataTypeKey.AuthRequest;
        }

        /// <summary>
        /// 参数化构造函数
        /// </summary>
        /// <param name="userid">用户帐号</param>
        /// <param name="password">用户密码</param>
        public AuthRequest(string userid, string password) : this()
        {
            this.UserId = userid;
            this.Password = password;
        }
    }

这样我们的消息内容就很简单，方便我们传递及处理了。

 

3、消息的接收和发送

前面我们介绍过了一些基类，包括Socket客户端基类，和数据接收的基类设计，这些封装能够给我提供很好的便利性。

在上面的BaseSocketClient里面，我们为了能够解析不同协议的Socket消息，把它转换为我们所需要的基类对象，那么我们这里引入一个解析器MessageSplitter，这个类主要的职责就是用来分析字节数据，并进行整条消息的提取的。

因此我们把BaseSocketClient的类定义的代码设计如下所示。

    /// <summary>
    /// 基础的Socket操作类，提供连接、断开、接收和发送等相关操作。
    /// </summary>
    /// <typeparam name="TSplitter">对应的消息解析类，继承自MessageSplitter</typeparam>
    public class BaseSocketClient<TSplitter>  where TSplitter : MessageSplitter, new()

MessageSplitter对象，给我们处理低层次的协议解析，前面介绍了我们除了协议头和协议尾标识外，其余部分就是一个JSON的，那么它就需要根据这个规则来实现字节数据到对象级别的转换。

首先需要把字节数据进行拆分，把它完整的一条数据加到列表里面后续进行处理。

其中结尾部分，我们就是需要提取缓存的直接数据到一个具体的对象上了。

RawMessage msg = this.ConvertMessage(MsgBufferCache, from);

这个转换的大概规则如下所示。

 

这样我们在收到消息后，利用TSplitter对象来进行解析就可以了，如下所示就是对Socket消息的处理。

                    TSplitter splitter = new TSplitter();
                    splitter.InitParam(this.Socket, this.StartByte, this.EndByte);//指定分隔符，用来拆包
                    splitter.DataReceived += splitter_DataReceived;//如果有完整的包处理，那么通过事件通知

数据接收并获取一条消息的直接数据对象后，我们就进一步把直接对象转换为具体的消息对象了

        /// <summary>
        /// 消息分拆类收到消息事件
        /// </summary>
        /// <param name="data">原始消息对象</param>
        void splitter_DataReceived(RawMessage data)
        {
            ReceivePackCount += 1;//增加收到的包数量
            OnReadRaw(data);
        }

        /// <summary>
        /// 接收数据后的处理，可供子类重载
        /// </summary>
        /// <param name="data">原始消息对象（包含原始的字节数据）</param>
        protected virtual void OnReadRaw(RawMessage data)
        {
            //提供默认的包体处理：假设整个内容为Json的方式；
            //如果需要处理自定义的消息体，那么需要在子类重写OnReadMessage方法。
            if (data != null && data.Buffer != null)
            {
                var json = EncodingGB2312.GetString(data.Buffer);
                var msg = JsonTools.DeserializeObject<BaseMessage>(json);

                OnReadMessage(msg);//给子类重载
            }
        }

 

在更高一层的数据解析上面，我们就可以对对象级别的消息进行处理了

例如我们收到消息后，它本身解析为一个实体类BaseMessage的，那么我们就可以利用BaseMessage的消息内容，也可以把它的Content内容转换为对应的实体类进行处理，如下代码所示是接收对象后的处理。

        void TextMsgAnswer(BaseMessage message)
        {
            var msg = string.Format("来自【{0}】的消息：", message.FromUserId);

            var request = JsonTools.DeserializeObject<TextMsgRequest>(message.Content);
            if (request != null)
            {
                msg += string.Format("{0}  {1}", request.Message, message.CreateTime.IntToDateTime());
            }

            //MessageUtil.ShowTips(msg);
            Portal.gc.MainDialog.AppendMessage(msg);
        }

对于消息的发送处理，我们可以举一个例子，如果客户端登陆后，需要获取在线用户列表，那么可以发送一个请求命令，那么服务器需要根据这个命令返回列表信息给终端，如下代码所示。

        /// <summary>
        /// 处理客户端请求用户列表的应答
        /// </summary>
        /// <param name="data">具体的消息对象</param>
        private void UserListProcess(BaseMessage data)
        {
            CommonRequest request = JsonTools.DeserializeObject<CommonRequest>(data.Content);
            if (request != null)
            {
                Log.WriteInfo(string.Format("############\r\n{0}", data.SerializeObject()));

                List<CListItem> list = new List<CListItem>();
                foreach(ClientOfShop client in Singleton<ShopClientManager>.Instance.LoginClientList.Values)
                {
                    list.Add(new CListItem(client.Id, client.Id));
                }

                UserListResponse response = new UserListResponse(list);
                Singleton<ShopClientManager>.Instance.AddSend(data.FromUserId, response.PackData(data), true);
            }
        }