WCF的基礎知識總結

“學 以致用”，如果僅僅是希望能夠在項目中合理地應用WCF，那麼對於程序員而言，可以有兩種選擇，一種是“知其然而不知其所以然”，只要掌握了WCF的基礎 知識，那麼對於一般的應用就足夠了。要做到這一點就很容易了，微軟秉承了一貫的方式，將WCF這門技術優雅地呈現給開發者，封裝了複雜的實現邏輯，提供了 易於調用的類庫和相關的工具，使得開發者能夠快速地完成WCF程序的開發。另外一種方式自然就是深度挖掘WCF的內部實現了，這是對WCF專家提出的要 求。如果我們要應用WCF實現SOA解決方案，就會遭遇許多WCF的高級應用，如何合理、有效地應用WCF，並根據項目實際情況對WCF進行擴展，就成爲 了WCF專家必須解決的難題。

因此，如果要學習WCF，你必須找準自己學習的動機與目標，然後合理地安排自己的學習進度表，這纔是正確的學習方式。本文試圖對WCF的一些基礎概念作一些試探性的闡述與分析，並以問答的方式組織，希望能夠部分解答一些希望學習WCF，但猶自徘徊在門外的開發者。


1、WCF是什麼？


從 WCF所處的位置來看，它是包含在.NET 3.0（也包括.NET 3.5）之中的。我們注意比較.NET 3.0與.NET 2.0，其實唯一的區別就是.NET 3.0包含了WCF、WPF、WF（或者還有CardSpace）而已。因此，我們認爲WCF是.NET框架的一部分，似乎並不爲過。尤爲關鍵的 是，WCF並不能脫離.NET框架而單獨存在（但非WCF客戶端可以調用WCF服務），因此，雖然WCF是微軟用以應對SOA解決方案的開發需求而專門推 出的，但它並不是例如Spring、Struts那樣的框架，也不是像EJB那樣的容器或者服務器。微軟真正符合SOA企業應用服務器角色的，我想應該是 Biztalk Server。


嚴格的說，WCF就是專門用於服務定製、發佈與運行以及消息傳遞和處理的一組專門類的集合，也就是所謂的 “類庫”。這些類通過一定方式被組織起來，共同協作，併爲開發者提供了一個統一的編程模式。WCF之所以特殊，是在於它所應對的場景與普通的.NET類庫 不同，它主要用於處理進程間乃至於機器之間消息的傳遞與處理，同時它引入了SOA的設計思想，以服務的方式公佈並運行，以方便客戶端跨進程和機器對服務進 行調用。實際上，WCF就是微軟對於分佈式處理的編程技術的集大成者，它將DCOM、Remoting、Web Service、WSE、MSMQ集成在一起，從而降低了分佈式系統開發者的學習曲線，並統一了開發標準。


WCF與其它類庫還有不同的地 方，則在於WCF充分地體現了運行時環境的概念。對於早期使用WCF的開發人員而言，就可能知道如果在.NET 2.0下要開發WCF，還需要專門下載一個Runtime Component 3.0版，其中就包含了WCF、WF等內容。在.NET中一貫存在所謂“宿主”的概念，整個.NET Framework（或者說是CLR）就可以認爲是一個大的宿主，就像Java的虛擬機一樣。由於WCF對服務有着專門的需求，對於服務端，需要發佈和運 行服務；對於客戶端，則需要調用服務；因而對於開發者，就需要編寫定義、發佈、運行、調用服務的相關代碼。而服務就只能運行在特定的宿主上，這些宿主可以 是控制檯應用程序進程、Windows或Web應用程序進程，也可以是Windows服務進程，或者爲最常用的IIS宿主。在宿主內部，則封裝了通道堆 棧，其中又包含了對協議、編碼、消息傳輸、代理的處理。而在通道層的頂部，還提供了一個高級運行時，以針對應用程序的開發人員。


因而，我們可以這樣認爲，WCF是.NET Framework 3.x的一部分，它包含了用於服務定製、發佈與運行以及消息傳遞和處理的運行時環境以及相關類的集合，它提供了在Windows平臺下開發和部署服務的SDK。大致組成如下圖所示：




2、WCF是怎樣運行的？


如 果從宏觀的角度來分析WCF的運行機制，它的實現並不複雜。WCF的體系架構是基於一種攔截機制來實現的，負責傳遞和攔截消息的組件爲通道，在客戶端發出 對服務端服務的調用時，首先會通過一個服務代理對象，將調用方提供的對象序列化到消息中，然後該消息則通過通道進行傳遞。通道不只是包括一個，而是多個通 道對消息進行處理，包括傳輸、消息編碼、管理會話、傳播事務等，但最底層的通道總是傳輸通道。這些通道的構成形成了一個通道堆棧。由於對象已經被序列化， 因而此時通道傳遞的消息可以跨進程或機器進行傳遞，利用傳輸通道傳遞到服務端。服務端的構成與客戶端基本相似，仍然是通過通道棧中最底層的傳輸通道接收消 息，然後解析消息編碼，並一層層地往上傳輸。在服務端的通道棧之上，則是一個分發器（Dispatcher，或者說是調度器），它會首先對消息進行檢查， 然後選擇一個客戶端要調用的操作。在這個過程中，消息會被反序列化。


下圖說明了WCF的整個運行過程：
 




由 於WCF通過通道的方式傳遞消息，整個通道同時擔當了偵聽器和攔截器的功能，它可以根據服務的定義，在方法執行的前或後執行不同的操作，例如事務、會話管 理、安全等。這些操作在WCF中，大多數都可以以Attribute的方式應用到服務契約上，這樣的實現方式，就類似於採用了AOP（面向服務編程）的方 法爲服務提供了大量的基礎功能，有助於簡化服務開發者的工作。


3、爲什麼我們要選用WCF？
在Windows平臺 下，尤其是在.NET平臺下開發面向服務的應用程序，或者開發分佈式系統，最佳選擇就是WCF。爲什麼呢？原因就在於WCF涵蓋了之前微軟推出的所有用於 分佈式開發的技術，包括Remoting、Web Services、WSE、MSMQ等，並以一種統一的編程模式來實現。


WCF既支持 具有互操作性的Web服務，也能夠實現.NET客戶端與.NET服務端的通信，提供了分佈式事務的支持，同時在安全性上，它完全遵循了WS-*的標準，此 外，它還支持隊列服務，可以非常方便地利用消息隊列完成異步操作與脫機調用。而這些功能，以前的技術都只是部分的實現。如下表所示：

 

特性	Web Service	.NET Remoting	Enterprise Services	WSE	MSMQ	WCF
具有互操作性的Web服務	支持					支持
.NET到.NET的通信		支持				支持
分佈式事務			支持			支持
支持WS標準				支持		支持
消息隊列					支持	支持

WCF同時也使得面向服務編程更加簡單而統一了。如果採用舊有的技術，由於各種技術的編程模型完全不一致，使得程序的遷移非常的困難。例 如，最初採用.NET Remoting技術開發的分佈式系統，由於業務需求的變化，要求發佈具有互操作性的Web服務，就需要重新定義服務。並且，客戶端的調用方式也發生了變 化，需要添加Web引用，通過UDDI去發現服務。


採用WCF則不然。WCF引入了用通道，它封裝了消息的通信細節，例如編碼、事務處 理、安全等，然後又通過引入綁定的概念，封裝了通道的組成順序與處理細節。最後，引入了獨有的Endpoint元素，集成了地址、綁定和契約之間的“三位 一體”，以最簡單的方式定義和發佈服務。


4、WCF基礎的技術要素有哪些？


WCF的大部分功能都放在一個單獨的程序集System.ServiceModel.dll中。WCF的幾個最重要的技術元素包括：綁定、契約、端點。


如 前所述，綁定封裝了通道的組成順序與處理細節，它直接決定了WCF的通信方式，消息的編碼方式，通道的協議，消息傳遞的可靠性以及安全等內容。通過使用綁 定，我們就無需瞭解消息在WCF通道中的實現細節，從而簡化程序員的開發。正是因爲此，WCF爲開發人員提供了多個內置綁定，基本上涵蓋了WCF應用的大 部分場景。以下是Aaron Skonnard在《WCF深度綁定》一文中列舉的內置綁定：
 
 

綁定類名稱	傳輸	消息編碼	消息版本	安全模式	可靠消息傳送	事務流（默認情況下禁用）
BasicHttpBinding	HTTP	文本	SOAP 1.1	無	不支持	不支持
WSHttpBinding	HTTP	文本	SOAP 1.2 WS-Addressing 1.0	消息	禁用	WS-AtomicTransactions
WSDualHttpBinding	HTTP	文本	SOAP 1.2 WS-Addressing 1.0	消息	啓用	WS-AtomicTransactions
WSFederationHttpBinding	HTTP	文本	SOAP 1.2 WS-Addressing 1.0	消息	禁用	WS-AtomicTransactions
NetTcpBinding	TCP	二進制	SOAP 1.2	傳輸	禁用	OleTransactions
NetPeerTcpBinding	P2P	二進制	SOAP 1.2	傳輸	不支持	不支持
NetNamedPipesBinding	命名管道	二進制	SOAP 1.2	傳輸	不支持	OleTransactions
NetMsmqBinding	MSMQ	二進制	SOAP 1.2	消息	不支持	不支持
MsmqIntegrationBinding	MSMQ	不支持（使用 WCF 之前的序列化格式）	不支持	傳輸	不支持	不支持
CustomBinding	您決定	您決定	您決定	您決定	您決定	您決定

每種綁定對應不同的傳輸協議、消息編碼格式和版本以及安全、可靠性和事務模式。WCF也提供了擴展綁定的方式，例如通過CustomBinding或者定義派生與Binding的類。


WCF 的契約包括服務契約、數據契約和消息契約（特別的，還包括了錯誤契約，用於異常的處理）。其中服務契約爲面向服務應用程序的核心，通過它可以定義服務。數 據契約則爲服務所要傳遞的數據。由於服務的調用需要跨進程或機器進行通信，就需要服務數據必須能夠被序列化和反序列化。雖然.NET本身提供了數據的序列 化功能，但WCF的數據契約更加符合服務數據的定義習慣。至於消息契約，則可以將服務數據定義爲消息，包括XML文本格式、MTOM（消息傳輸優化機制） 格式和二進制格式。


綁定（Binding）、契約（Contract）與服務的地址（Address）組合在一起，則形成了終結點（Endpoint），如下圖所示：
 
 

 

 


Address 是Endpoint的網絡地址，它標記了消息發送的目的地。Binding描述的是如何發送消息，例如消息發送的傳輸協議（如TCP，HTTP），安全 （如SSL，SOAP消息安全）。Contract則描述的是消息所包含的內容，以及消息的組織和操作方式，例如是單向，雙向還是請求/響應方式。


引 入終結點可以說是WCF的一個偉大創舉，通過它使得我們能夠更加容易的發佈和管理服務，尤其是發佈和管理多個服務。每個服務必須至少擁有一個終結點，而客 戶端正是通過終結點知道服務的相關信息，例如地址、消息編碼格式、傳輸協議以及服務的內容，然後在進行正確的調用。最特別的是，同一個服務可以定義多個終 結點，每個終結點可以是不同的地址、不同的綁定方式，以便於滿足多個客戶端的不同需要。而對於服務的發佈者而言，我們只需要管理終結點的配置，就可以完成 對服務的管理，這也爲服務的託管提供了便利。


5、WCF主要包含哪些內容？


Juval的《Programming WCF Services》一書基本已經涵蓋了WCF技術的方方面面。概括來講，主要包括綁定、服務契約、數據契約、消息傳遞、異常處理、實例模式、併發處理、事務處理、安全以及隊列服務等。


綁 定屬於WCF基本的技術要素，是WCF進行通信處理的基礎。瞭解綁定的相關知識，有助於開發WCF應用程序。因爲在不同的業務需求下，可能對通信方式、協 議、消息編碼等多個方面會有不同的要求。在配製、發佈和運行服務時，都需要對綁定進行操作。因而，我們必須掌握WCF內置綁定的相關屬性，熟悉綁定元素的 相關配置。此外，在一些高級應用上，我們還要掌握自定義綁定的方式，瞭解在自定義綁定時，添加綁定元素的方式與順序，瞭解Binding基類的相關屬性和 方法。以及與綁定配置相關的類。


服務契約是WCF的主要處理對象，服務的定義和設置正是通過服務契約實現的。除了瞭解 ServiceContract和OperationContract的基礎應用之外，還需要比較WCF服務編程與普通的.NET編程之間的區別，例如服 務的繼承與多態是怎樣實現的。最重要的是如何根據SOA的思想劃分服務的邊界，確定服務的粒度大小，這需要從系統的易用性、可擴展性、性能等多個方面進行 權衡。


服務契約中關於操作的定義要受到很多約束，其中最重要的就是對數據的處理，這也是WCF引入數據契約的目的。由於WCF的特殊性，因而我們需要了解一些特殊數據類型的序列化方式，例如泛型類型、集合、DataSet等。


約束服務操作定義的還包括對異常的處理，WCF對異常有一套特殊的處理方式，可以根據實際的情況，確定異常消息是否需要進行通信，以及出現異常時，是否要求停止服務實例，或繼續維持會話。


WCF 爲消息傳遞提供了非常大的靈活性。它提供了專門的Message類以及相關的讀寫器，例如XmlDictionaryReader和 XmlDictionaryWriter等對消息進行讀寫，這其中包含了對消息版本、編碼格式、消息標頭和正文等的操作。同時，WCF還提供了消息與方法 之間的映射。在提供系統的互操作性時，瞭解WCF的消息傳遞方式很有必要。


根據不同的需求，WCF將實例模式分爲 PerCall，Single和PerSession三種方式。通過設置服務行爲的InstanceContextMode屬性，來管理服務實例的生存周 期，可以簡化開發人員的工作。我們只需要瞭解這三種實例模式的特性即可。通常情況下，我建議服務採用PerCall模式，如果需要維持服務與客戶端之間的 會話，則可以採用PerSession模式。只有在對性能和可伸縮性沒有太大要求的情況下，纔可以採用Single模式。


關於事務處理、併發處理以及安全，主要都是通過相關的服務行爲進行設置和管理。這些內容都是WCF高級應用所必需掌握的內容，尤其對於開發企業級應用系統而言。至於隊列服務，主要是利用了消息隊列，以實現系統可以脫機訪問服務，並保持服務狀態的同步。


6、WCF主用適用於哪些應用場景？


WCF 本身就是微軟爲了應對SOA戰略所推出的一套基於.NET Framework下的SDK。當我們在Windows平臺下，基於.NET框架開發一套系統，同時要求這套系統需要與其它平臺例如WebLogic、 WebSphere或者JBoss進行交互時，就需要採用WCF技術了。這是因爲WCF的互操作性所決定的。


目前來看，WCF在企業應用 中還沒有得到大量的應用，但隨着開發者對.NET 3.x的深入瞭解，WCF會逐漸深入人心。由於WCF集成了.NET編程開發的習慣，對於.NET開發人員而言，就大大地降低了學習曲線，此外，WCF保 留了對舊有技術包括Web Service、.NET Remoting、MSMQ、WSE的支持，同時對於舊有技術到WCF的遷移也提供了非常好的解決方案。因而，如果.NET人員若要應用SOA的解決方 案，那麼WCF無疑就是最佳選擇。單以開發而論，利用WCF定義服務、公開服務以及運行服務，利用WF實現工作流的設計、運行與管理、利用WPF作爲具有 豐富表現的富客戶端，或者通過AJAX+SilverLight開發調用WCF服務的客戶端，以及通過CardSpace完成對服務安全的設置與管理，就 足以實施一整套的SOA解決方案。同時，WCF還可以結合Biztalk以及Sharepoint，使得SDK能夠搭載於應用服務器之上，更大程度地滿足 企業應用的需要。


除了實施SOA解決方案之外，WCF對於開發分佈式系統而言，也是得天獨厚的。當我們的應用系統需要在多個服務器上運行 不同服務，以支撐大量的訪問負荷、大數據量處理、數據挖掘等工作時，就可以利用WCF開發不同的服務，然後託管在不同的服務器上，此時，整個系統就可以有 效地利用服務器資源，減輕系統負荷。