劉暾東 黃祚 孫洪飛

(廈門大學(xué)自動化系，福建廈門 361005)

1 引言

目前，全國很多城市的路燈監(jiān)控系統(tǒng)受到區(qū)域限制，仍停留在小規(guī)模的監(jiān)控模式上，使得各地區(qū)的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，管理混亂，同時也占用了大量的人力和物力資源。因此，將各區(qū)域的路燈監(jiān)控系統(tǒng)進行統(tǒng)一的管理，形成一個大規(guī)模的統(tǒng)一的監(jiān)控體系，已成為將來路燈監(jiān)控發(fā)展的趨勢。傳統(tǒng)的SOCKET通信模型有著客戶端數(shù)量的限制，當(dāng)實際的客戶端超過限制，將會出現(xiàn)數(shù)據(jù)阻塞和丟失，甚至是服務(wù)器軟件崩潰的情況，而引入了完成端口技術(shù)的通信模型沒有客戶端數(shù)量的限制，并且擁有著高效的數(shù)據(jù)處理能力，能夠在大規(guī)模路燈監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)發(fā)揮優(yōu)勢，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院涂煽啃?。在Visual C++2008編程環(huán)境下，通過完成端口技術(shù)的應(yīng)用，將原有的基于C/S模式的路燈監(jiān)控系統(tǒng)軟件進行優(yōu)化，使得整套系統(tǒng)可以應(yīng)用于大數(shù)量客戶端的場合，并且仍能保持通信系統(tǒng)較高的穩(wěn)定性。

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件的總體構(gòu)架［1］

路燈監(jiān)控系統(tǒng)分為遠程終端設(shè)備和監(jiān)控軟件兩個部分。遠程終端設(shè)備安裝在路燈控制現(xiàn)場，是實現(xiàn)監(jiān)控功能的主要硬件設(shè)備。遠程終端通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器相連［2］，根據(jù)用戶的設(shè)置參數(shù)，實現(xiàn)定時開關(guān)燈，采集數(shù)據(jù)和事故報警等功能。根據(jù)不同地區(qū)的情況，其數(shù)量可能非常的龐大，傳輸?shù)椒?wù)器的數(shù)據(jù)量也會非常龐大。監(jiān)控軟件是一套在 Visual C++2008開發(fā)平臺下，基于Client/Server模式的網(wǎng)絡(luò)通信軟件［3］，由服務(wù)端軟件和客戶端軟件兩個部分組成，后臺數(shù)據(jù)庫選用MS SQL Server 2005。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

監(jiān)控軟件的服務(wù)端安裝并工作于服務(wù)器上，負(fù)責(zé)接收監(jiān)控終端設(shè)備傳輸而來的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析，并存入數(shù)據(jù)庫;同時與軟件的客戶端進行通信，并且將軟件客戶端的指令數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的監(jiān)控終端設(shè)備，對被監(jiān)控對象的進行管理與控制。監(jiān)控軟件的客戶端工作在用戶電腦上，通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)端和數(shù)據(jù)庫相連，為少數(shù)特定的路燈監(jiān)控管理員提供服務(wù)?？蛻舳藶檫@些管理員用戶提供了一個功能齊全的圖形界面。用戶可以通過客戶端查詢數(shù)據(jù)，發(fā)送控制指令，也可以通過客戶端的電子地圖功能和柜體監(jiān)控動畫實時的了解各個遠程終端的工作狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 服務(wù)端完成端口通信模型的實現(xiàn)［4］

3.1 完成端口原理

3.1.1 完成端口簡介

網(wǎng)絡(luò)通信模塊是整個系統(tǒng)最核心的部分，由于要負(fù)責(zé)大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸與處理，因此對軟件的性能的高效性提出了挑戰(zhàn)，而完成端口通信技術(shù)的應(yīng)用解決了這一難題。

完成端口 (I/OCompletionPort)是一個Windows NT執(zhí)行子系統(tǒng)的核心對象。通過將完成端口與任意I/O句柄 (文件或Socket等)關(guān)聯(lián)，使得用戶可以通過完成端口，異步的獲取并處理 I/O的結(jié)果。

完成端口是由系統(tǒng)直接提供并行優(yōu)化支持的，在完成端口上建立幾個并行的服務(wù)線程，一般數(shù)量為CPU數(shù)，它們?yōu)榈竭_完成端口的服務(wù)請求提供服務(wù)。當(dāng)有服務(wù)請求到達時，如果有可用的服務(wù)線程，則激活該線程，如果沒有可用服務(wù)線程，則將服務(wù)請求加入請求隊列，該隊列采用先進先出 (FIFO)的策略，來保證這些請求得到公平的服務(wù)。服務(wù)線程的建立和請求隊列的FIFO策略，減少了CPU在不同線程間切換的次數(shù)，降低線程上下文切換所造成的開銷。

3.1.2 重疊I/O

完成端口的設(shè)計原理是讓應(yīng)用程序使用重疊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一次投遞一個或多個I/O請求，當(dāng)這些請求完成后，應(yīng)用程序可以為他們提供服務(wù)。這就要求我們在使用完成端口時必須要使用重疊I/O。重疊I/O，即當(dāng)I/O功能調(diào)用時，不論I/O是否完成，函數(shù)馬上返回，由操作系統(tǒng)底層處理I/O的實際工作，而應(yīng)用程序 (進程)可以繼續(xù)做其他事情。因而，完成端口是處理完成重疊I/O的一種高效的機制［5］。

3.1.3 工作線程

除了工作在完成端口上的服務(wù)線程外，在關(guān)聯(lián)套接字之前，還必須創(chuàng)建一個或多個工作線程，以便在I/O請求投遞給完成端口對象后，為完成端口提供服務(wù)。工作線程的個數(shù)取決于應(yīng)用程序的總體設(shè)計情況。創(chuàng)建的工作線程由完成端口管理。當(dāng)有I/O完成通知到來，則由完成端口喚醒一個工作線程接收I/O完成通知，并對其進行處理。完成端口自動對工作線程進行調(diào)度，喚醒哪個工作線程則由完成端口決定。若無I/O完成通知，則所有的工作線程都在等待。根據(jù)經(jīng)驗，工作線程的數(shù)量一般為CPU數(shù)量的兩倍再加上2。

3.2 完成端口的程序?qū)崿F(xiàn)［6］

網(wǎng)絡(luò)通信模塊通過 CreateIoCompletionPort函數(shù)創(chuàng)建完成端口對象，并將接收到的SOCKET對象與完成端口關(guān)聯(lián)，啟動一定數(shù)量的工作線程，通過GetQueuedCompletionStatus函數(shù)獲取完成端口上SOCKET的當(dāng)前狀態(tài)，并將收到的數(shù)據(jù)從緩存出取出。完成端口的主要工作流程圖如圖2所示。

主線程:

1)程序啟動的時候，初始化網(wǎng)絡(luò)并且創(chuàng)建完成端口句柄:

CompletionPort=CreateIoCompletionPort(INVA-LID_HANDLE_VALUE，NULL，0，0);

2)啟動2*N+2個工作線程，N為CPU數(shù)量:

圖2 完成端口模塊流程圖

3)進入一個監(jiān)聽循環(huán)，開始監(jiān)聽客戶端連接請求;

4)將接收到的客戶端SOCKET與完成端口對象綁定;

5)發(fā)出一個異步的WSARecv或是WSASend操作，實際的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)操作會由操作系統(tǒng)完成。

6)重復(fù)以上3)到5)的操作。

工作線程:

1)進入循環(huán)，通過GetQueuedCompletionStatus函數(shù)，從完成端口上取得 WSASend/WSARecv的操作結(jié)果;

2)根據(jù)完成端口上I/O狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)的處理;

3)提交一個新的WSASend/WSARecv操作請求;

4)重復(fù)以上1)到4)的操作。

3.3 通信規(guī)約設(shè)計

整個監(jiān)控系統(tǒng)采用TCP(Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議)進行數(shù)據(jù)傳輸，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一套監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)約，來完成服務(wù)端與遠程終端，服務(wù)端與客戶端的通信。根據(jù)路燈監(jiān)控的實際需求，數(shù)據(jù)報文包括以下幾種形式。

1)遠程終端主動向軟件服務(wù)端發(fā)送的連接認(rèn)證數(shù)據(jù)報文，如表1所示。

表1 連接認(rèn)證數(shù)據(jù)報文格式

2)遠程終端定時向軟件服務(wù)端發(fā)送的現(xiàn)場數(shù)據(jù)報文，主要包括路燈監(jiān)控現(xiàn)場采集到的電流，電壓，溫度，開關(guān)狀態(tài)，報警信息等數(shù)據(jù)信息，如表2所示。

3)軟件客戶端發(fā)送給服務(wù)端，并由服務(wù)端轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)遠程終端的參數(shù)設(shè)置報文，根據(jù)不同的功能號，報文發(fā)送不同的參數(shù)信息，包括開關(guān)燈時間，報警閥值，數(shù)據(jù)采集周期等如表3所示。

表2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)報文

表3 參數(shù)設(shè)置報文

3.4 完成端口通信的優(yōu)化

3.4.1 內(nèi)存池的設(shè)計

完成端口模型采用異步通信模式，每次調(diào)用WSASend和WSARecv函數(shù)都需要在內(nèi)存創(chuàng)建一個結(jié)構(gòu)體空間，函數(shù)調(diào)用完畢后，再銷毀這個結(jié)構(gòu)體空間。頻繁的創(chuàng)建和銷毀內(nèi)存空間占用了大量的系統(tǒng)資源，因此，在設(shè)計完成端口程序時，根據(jù)需求創(chuàng)建一定數(shù)量的結(jié)構(gòu)體空間，并將其放入一個統(tǒng)一的空閑隊列，當(dāng)調(diào)用WSASend和WSARecv函數(shù)時，從隊列中取用一個結(jié)構(gòu)體空間，使用完畢，再將其放回隊列。

3.4.2 連接池的設(shè)計

當(dāng)用傳統(tǒng)的 accept函數(shù)接收客戶端時，accept函數(shù)會創(chuàng)建一個socket作為返回值，分配給客戶端。客戶端斷開連接時，創(chuàng)建的socket會被銷毀。創(chuàng)建和銷毀socket的過程會占用大量的系統(tǒng)資源，因此在接收客戶端時，采用 acceptEx函數(shù)代替 accept，該函數(shù)可以把一個事先創(chuàng)建好的socket對象，分配給接收到的客戶端。首先，創(chuàng)建好一定數(shù)量的socket對象，形成一個連接池，當(dāng)接收到客戶端的連接請求時，從連接池中取出空閑socket對象，分配給該客戶端，斷開連接時，再將socket放回連接池隊列。連接池的設(shè)計減少了客戶端SOCKET的不斷創(chuàng)建與銷毀，節(jié)省了大量的系統(tǒng)資源。

3.4.3 線程池的設(shè)計

完成端口本身就應(yīng)用了線程池技術(shù)，線程池中的線程不僅包括了工作者線程，還包括了工作上完成端口上的服務(wù)線程。有效的對這些線程進行管理，能夠減少CPU在不同線程間的頻繁切換，降低了切換線程上下文所耗費的時間。

3.4.4 數(shù)據(jù)池的設(shè)計

完成端口模塊接收到的數(shù)據(jù)，要根據(jù)通信規(guī)約進行處理與分析，并將數(shù)據(jù)存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。由于完成端口網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)傳輸總是不平穩(wěn)的，常常會出現(xiàn)短時間內(nèi)接收到大量數(shù)據(jù)，而另一段時間內(nèi)只接收到少量數(shù)據(jù)要的情況。為了防止服務(wù)器在短時間內(nèi)超負(fù)荷工作，造成的數(shù)據(jù)意外丟失或是程序崩潰的情況，在進行數(shù)據(jù)處理時，預(yù)先建立了數(shù)據(jù)存儲隊列，形成一個數(shù)據(jù)池，將未處理的數(shù)據(jù)加入隊列，并采用FIFO的策略來分配CPU時間，這就使得CPU資源得到充分的利用，提高了數(shù)據(jù)處理的安全性和可靠性。

4 客戶端軟件設(shè)計

客戶端軟件通過一般的SOCKET通信方式與服務(wù)器相連，主要是功能是為用戶提供一個簡潔，便利的用戶功能界面。地圖顯示模塊通過對GIS電子地圖的繪制，將城市地圖及路燈系統(tǒng)的分布圖直觀的顯示給用戶，使得用戶能夠大體的了解到整個路燈系統(tǒng)的運行狀態(tài)。動畫顯示模塊通過FLASH編程技術(shù)，將單個遠程終端所控制的配電柜示意圖展示給用戶，用戶可以了解到現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)并對具體的監(jiān)控點進行設(shè)置，開關(guān)燈等操作。數(shù)據(jù)顯示模塊與數(shù)據(jù)庫相連，用戶可以查詢到各個監(jiān)控點的歷史數(shù)據(jù)以及當(dāng)前的設(shè)置參數(shù)，了解路燈系統(tǒng)的具體工作狀態(tài)。軟件客戶端主界面如圖3所示。

5 完成端口服務(wù)器軟件的性能測試［7］

5.1 測試對象

完成端口通信模型與傳統(tǒng)通信模型相比，擁有更大的數(shù)據(jù)吞吐量和客戶端數(shù)目，并且通過線程池、連接池、內(nèi)存池的設(shè)計和應(yīng)用，節(jié)省了系統(tǒng)資源，提高了服務(wù)器軟件的數(shù)據(jù)處理效率。在對傳統(tǒng)通信模型和完成端口通信模型的性能測試和比較中，選取饑餓的客戶端和每秒線程上下文切換次數(shù)兩個重要指標(biāo)為測試對象。饑餓的客戶端定義為同一時間向服務(wù)器申請連接并發(fā)送數(shù)據(jù)的客戶端中，未被服務(wù)器影響的客戶端數(shù)。

5.2 測試環(huán)境

選用兩臺 Intel Core2 1.9GHz雙核 CPU，2G內(nèi)存臺式機，一臺用作服務(wù)器電腦，一臺用作客戶端電腦。服務(wù)器電腦上分別安裝傳統(tǒng)通信模型的舊版路燈監(jiān)控軟件和完成端口模型的新版路燈監(jiān)控軟件，并且在軟件程序中加入測試代碼，用來計算饑餓客戶端數(shù)目和線程上下文的切換次數(shù);客戶端電腦上用測試軟件來模擬一定數(shù)量的終端設(shè)備的客戶端，并向服務(wù)器同時進行連接和發(fā)送數(shù)據(jù)的操作。

圖3 客戶端軟件主界面

5.3 測試結(jié)果及分析

不斷的改變模擬客戶端的數(shù)量，對兩種通信模型進行測試，分別記錄下兩種模型在不同數(shù)量的客戶端下，饑餓客戶端數(shù)量和線程上下文切換的次數(shù)，重復(fù)多次測試，取得多組數(shù)據(jù)，取其平均值。

如表4所示，當(dāng)模擬客戶端數(shù)目逐漸增加時，傳統(tǒng)通信模型的饑餓客戶端數(shù)量也不斷增加，這就使得大量的客戶端無法得到服務(wù)器響應(yīng)，大量客戶端的數(shù)據(jù)無法傳輸，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的阻塞和丟失。而完成端口通信模型采取了一系列的優(yōu)化策略，并不存在客戶端無法得到服務(wù)的情況。

表4 饑餓客戶端測試

如表5所示，在模擬客戶端數(shù)量較少時，兩種通信模型的線程上下文切換次數(shù)相當(dāng);當(dāng)模擬客戶端數(shù)量增加時，傳統(tǒng)通信模型的切換次數(shù)劇增，而每次的切換都會導(dǎo)致系統(tǒng)資源的額外開銷，這就使的傳統(tǒng)通信模型的數(shù)據(jù)處理效率十分低下。使用完成端口通信模型時，線程上下文切換次數(shù)并未隨著模擬客戶端的增加而產(chǎn)生更大的變化，因此完成端口模型更適合于大量客戶端的應(yīng)用場合，并且仍可保持的數(shù)據(jù)通信的可靠性和高效性。

表5 每秒線程上下文切換次數(shù)

6 結(jié)束語

完成端口技術(shù)的引入，充分發(fā)揮了服務(wù)器多CPU的優(yōu)勢，使得整個監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信性能得到了極大的優(yōu)化了。經(jīng)過壓力測試，當(dāng)監(jiān)控終端設(shè)備數(shù)量達5000時，系統(tǒng)仍然能夠保持高效、穩(wěn)定的運行。目前該系統(tǒng)應(yīng)用于廈門路橋公司，龍巖長汀等地的路燈控制，取得了良好的效果。

［1］趙炯，徐博銘，宋蘊璞.火災(zāi)報警系統(tǒng)集成監(jiān)控和管理軟件設(shè)計 ［J］.計算機工程，2008，34(16):259～261

［2］王成福，唐曉強.基于GPRS的路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) ［J］.電力系統(tǒng)通信，2008，29(190):18～21

［3］閆謙時，陳雷.一種基于網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控軟件設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機與數(shù)字工程，2009，37(2):183～185

［4］基于IOCP機制的網(wǎng)絡(luò)游戲服務(wù)器通信層的實現(xiàn) ［J］.計算機工程與應(yīng)用，2009，47(7):75～81

［5］Gyu-baek Kim，An Effective Processing Server for Various Database Operations of Large-scale On-line Games［C］，IASTED International Conference on Information and Knowledge Sharing，Arizona，U.S.A，November 2003，Vol.1，pp.188～192

［6］陳和平，王早，李曉卉.基于單個 I/O完成端口的HTTP代理方法研究 ［J］.計算機工程與設(shè)計，2005，26(11):2995～2997

［7］唐海娜，李俊.網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測技術(shù)綜述 ［J］.計算機應(yīng)用研究，2004，21(8):10～13