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gRPC 高效通訊指南

用途：高效能、強型別的跨服務 RPC 通訊框架（HTTP/2 + Protocol Buffers）

NuGet：Grpc.Net.Client（客戶端）/ Grpc.AspNetCore（伺服端）

授權：Apache-2.0

支援：.NET 6+

GitHub：grpc/grpc-dotnet

什麼是 gRPC​

gRPC（gRPC Remote Procedure Call）是 Google 開發的高效能 RPC 框架。它用 Protocol Buffers（protobuf） 做二進制序列化，透過 HTTP/2 傳輸，效能遠優於傳統的 JSON over HTTP。

在工業自動化場景中，設備資料量大（多台 PLC 同時上報感測器數據）、延遲要求低（控制命令即時送達）、型別安全很重要（暫存器值的型別不能搞錯）。gRPC 在這些方面都有明顯優勢。

核心特性​

特性說明
Protocol Buffers二進制序列化，比 JSON 小 3-10 倍，解析快 10 倍
HTTP/2多路複用、Header 壓縮、Server Push
強型別從 .proto 檔案自動生成型別安全的 Client/Server 程式碼
串流支援原生支援 Server/Client/雙向串流
多語言同一份 .proto 可生成 C#、Python、Go、Java 等程式碼

vs REST API vs SignalR vs ZeroMQ​

比較項目gRPCREST (JSON/HTTP)SignalRZeroMQ
序列化Protobuf（二進制）JSON（文字）JSON / MessagePack自訂
傳輸HTTP/2HTTP/1.1 or 2WebSocketTCP/IPC
型別安全✅ 編譯期❌ 執行期❌ 執行期❌ 無
串流✅ 原生四種模式❌ 需要 SSE/WebSocket✅ 即時雙向✅ Pub/Sub
效能極高中等高極高
瀏覽器支援❌ 需 gRPC-Web✅ 原生✅ 原生❌ 無
學習曲線中等（需學 proto）低低高
適合場景服務間通訊、設備數據串流公開 API、Web 前端即時 UI 更新超低延遲
公司場景選擇
  • 設備資料即時串流（PLC → 監控端）：gRPC Server Streaming
  • 服務間通訊（MES 整合層 ↔ 設備控制層）：gRPC Unary
  • WPF UI 即時更新：SignalR 或直接用 Rx.NET
  • 公開 REST API（給外部系統呼叫）：仍用 REST

四種通訊模式​

gRPC 支援四種模式，涵蓋幾乎所有通訊場景：

1. Unary（一問一答）​

最常見的模式，等同於傳統的 Request/Response：

場景：發送控制命令（啟動/停止設備）、查詢設備狀態

2. Server Streaming（伺服器推流）​

客戶端發一個請求，伺服器持續推送多筆回應，直到客戶端取消或伺服器主動結束：

場景：訂閱 PLC 感測器數據、即時監控資料推送

3. Client Streaming（客戶端推流）​

客戶端持續送出多筆資料，伺服器最後回一個彙總回應：

場景：批次上傳感測器歷史資料、檔案上傳

4. Bidirectional Streaming（雙向推流）​

雙方在同一條連線上同時持續推送，互不依賴對方節奏：

場景：多設備即時命令與回報、雙向互動控制

.proto 定義​

gRPC 的介面用 .proto 檔案定義。這份檔案同時描述服務介面和資料結構，然後自動生成 C# 程式碼。

設備服務範例​

syntax = "proto3";

option csharp_namespace = "GatherTech.Equipment.Grpc";

package equipment;

// 設備控制服務
service DeviceService {
  // 一問一答：查詢設備狀態
  rpc GetStatus (DeviceRequest) returns (DeviceStatus);

  // 一問一答：發送控制命令
  rpc SendCommand (DeviceCommand) returns (CommandResult);

  // Server Streaming：訂閱感測器數據
  rpc StreamSensorData (SensorSubscription) returns (stream SensorData);

  // Bidirectional：雙向控制通道
  rpc ControlChannel (stream DeviceCommand) returns (stream DeviceEvent);
}

message DeviceRequest {
  string device_id = 1;
}

message DeviceStatus {
  string device_id = 1;
  bool is_connected = 2;
  string mode = 3;          // "Auto", "Manual", "Maintenance"
  double temperature = 4;
  double pressure = 5;
  int64 uptime_seconds = 6;
}

message DeviceCommand {
  string device_id = 1;
  string command = 2;        // "Start", "Stop", "Reset"
  map<string, string> parameters = 3;
}

message CommandResult {
  bool success = 1;
  string message = 2;
}

message SensorSubscription {
  string device_id = 1;
  int32 interval_ms = 2;    // 推送間隔（毫秒）
}

message SensorData {
  string device_id = 1;
  int64 timestamp = 2;      // Unix timestamp (ms)
  double temperature = 3;
  double pressure = 4;
  double flow_rate = 5;
  int32 status_code = 6;
}

message DeviceEvent {
  string device_id = 1;
  string event_type = 2;    // "AlarmRaised", "StateChanged", "CommandAck"
  string payload = 3;
  int64 timestamp = 4;
}

安裝​

伺服端（ASP.NET Core）​

dotnet add package Grpc.AspNetCore

客戶端​

dotnet add package Grpc.Net.Client
dotnet add package Google.Protobuf
dotnet add package Grpc.Tools   # .proto → C# 自動生成

專案檔設定（.csproj）​

<ItemGroup>
  <Protobuf Include="Protos\device.proto" GrpcServices="Both" />
</ItemGroup>

GrpcServices 可以是 Server、Client 或 Both，控制只生成伺服端、客戶端或兩者的程式碼。

基本範例：設備狀態查詢​

伺服端實作​

public class DeviceServiceImpl : DeviceService.DeviceServiceBase
{
    private readonly IDeviceManager _deviceManager;
    private readonly ILogger<DeviceServiceImpl> _logger;

    public DeviceServiceImpl(
        IDeviceManager deviceManager,
        ILogger<DeviceServiceImpl> logger)
    {
        _deviceManager = deviceManager;
        _logger = logger;
    }

    public override async Task<DeviceStatus> GetStatus(
        DeviceRequest request, ServerCallContext context)
    {
        _logger.LogDebug("GetStatus request for {DeviceId}", request.DeviceId);

        var device = await _deviceManager.GetDeviceAsync(request.DeviceId);

        return new DeviceStatus
        {
            DeviceId = device.Id,
            IsConnected = device.IsConnected,
            Mode = device.Mode.ToString(),
            Temperature = device.Temperature,
            Pressure = device.Pressure,
            UptimeSeconds = (long)device.Uptime.TotalSeconds
        };
    }
}

// 註冊服務（Program.cs）
var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);
builder.Services.AddGrpc();

var app = builder.Build();
app.MapGrpcService<DeviceServiceImpl>();
app.Run();

客戶端呼叫​

// 建立連線
using var channel = GrpcChannel.ForAddress("https://localhost:5001");
var client = new DeviceService.DeviceServiceClient(channel);

// Unary 呼叫
var status = await client.GetStatusAsync(new DeviceRequest
{
    DeviceId = "CMP-01"
});

Console.WriteLine($"Device {status.DeviceId}: " +
    $"Connected={status.IsConnected}, " +
    $"Temp={status.Temperature}°C");

延伸閱讀​