褚凱 牛紅巖 王志田

摘要：為滿足系統(tǒng)對服務(wù)端的性能要求，采用了完成端口模型，介紹了完成端口的工作原理，給出了系統(tǒng)的工作流程，對關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了服務(wù)端的通信框架，實(shí)現(xiàn)了對大量并發(fā)客戶的桌面投放系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：完成端口；多線程；信息重組；投放系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）22-5213-04

隨著經(jīng)濟(jì)和網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，桌面廣告投放系統(tǒng)已經(jīng)成為廣告宣傳的重要方式。個(gè)人電腦已經(jīng)成為辦公、收銀等處理業(yè)務(wù)的客戶終端，客戶終端桌面也是一張名品。利用桌面廣告投放系統(tǒng)可將這些客戶終端的桌面設(shè)置為統(tǒng)一形式，無形中加大了宣傳力度。

桌面廣告投放系統(tǒng)采用C/S模式，核心是解決一對多的大并發(fā)網(wǎng)絡(luò)連接問題[1]。為了解決客戶端大量網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)端的并發(fā)問題，本系統(tǒng)采用完成端口IOCP（I/O Completion Port）模型進(jìn)行開發(fā)。IOCP是微軟在Winsock2.0中引入的網(wǎng)絡(luò)編程模型。它是目前編寫高性能，易擴(kuò)展的C/S網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中最好網(wǎng)絡(luò)模型[2]。

1 桌面廣告系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

桌面廣告系統(tǒng)采用C/S網(wǎng)絡(luò)模型并基于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)服務(wù)端和客戶端的網(wǎng)絡(luò)通信。桌面廣告系統(tǒng)包括客戶端、服務(wù)器端和互聯(lián)網(wǎng)，客戶端為需要設(shè)置桌面廣告的計(jì)算機(jī)，服務(wù)端為產(chǎn)生廣告桌面的服務(wù)器，通常架設(shè)在個(gè)人計(jì)算機(jī)上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 IOCP機(jī)制的工作原理

完成端口（IOCP）的核心原理就是將綁定到IOCP的socket發(fā)出的異步I/O請求投遞到消息隊(duì)列中，利用一定數(shù)量的工作線程從消息隊(duì)列中取出消息并進(jìn)行處理，并在工作者線程中返回中間數(shù)據(jù)。IOCP工作框架如圖2所示。

2.1 完成端口

完成端口是windows的內(nèi)核對象，稱其為完成端口，是因?yàn)橄到y(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)I/O操作“完成”之后才會發(fā)出通知。在接到系統(tǒng)的通知的時(shí)，其實(shí)網(wǎng)絡(luò)操作已經(jīng)完成，此時(shí)，系統(tǒng)已經(jīng)自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收（而不是像傳統(tǒng)socket是有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到來）或者系統(tǒng)已經(jīng)自動(dòng)接受了客戶端的連接請求等等，應(yīng)用程序的工作就是直接處理接收的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)或者判斷新連入的客戶端。

完成端口的實(shí)際處理方式是：依據(jù)CPU數(shù)量N，建立2*N個(gè)線程。這些線程能夠充分利用CPU資源，從某一個(gè)公共消息隊(duì)列中循環(huán)讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)隊(duì)列中無數(shù)據(jù)時(shí)，一直處于等待狀態(tài)。當(dāng)客戶數(shù)據(jù)或請求到來時(shí)，應(yīng)用程序?qū)⒖蛻粽埱笸斗诺皆摴蚕㈥?duì)列中。線程們依次逐個(gè)從該消息隊(duì)列中取出用戶數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。這種處理數(shù)據(jù)的方式就徹底解決了異步通信中的負(fù)載均衡問題。因?yàn)樗ㄟ^一定數(shù)量的線程合理的處理大量客戶端的請求數(shù)據(jù)，且當(dāng)線程處于空閑時(shí)期會被系統(tǒng)掛起，不耗費(fèi)CPU資源。這個(gè)作為交換的關(guān)鍵消息隊(duì)列就是完成端口[3]。

2.2 重疊I/O

利用完成端口實(shí)現(xiàn)異步通信，必須使用到極其重要的I/O數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即重疊（Overlapped）結(jié)構(gòu)。

重疊結(jié)構(gòu)是異步通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)的一個(gè)核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)操作如發(fā)送和接收，都將被WSASend（）和WSARecv（）所代替，每個(gè)參數(shù)都會包含一個(gè)重疊結(jié)構(gòu)。在使用重疊I/O的異步機(jī)制時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)核要求每個(gè)網(wǎng)絡(luò)操作都必須有唯一的ID號。而重疊結(jié)構(gòu)就相當(dāng)于是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)操作的ID號，內(nèi)核中進(jìn)入重疊I/O后，按需求處理完畢，再根據(jù)其ID號，把對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳到內(nèi)核外。

3 系統(tǒng)的工作流程及實(shí)現(xiàn)

3.1 工作流程

利用IOCP模型開發(fā)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端，主要的工作就是創(chuàng)建主線程和工作線程。在異步通信中，主線程主要的任務(wù)就是初始化時(shí)建立通信框架，即創(chuàng)建并監(jiān)聽套接字，創(chuàng)建工作線程，等待客戶端連接。工作線程主要處理IOCP上完成的網(wǎng)絡(luò)操作。本系統(tǒng)的服務(wù)端功能模塊在VC6環(huán)境中開發(fā)，利用socket模型中的TCP/IP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)傳輸工作過程如圖3所示流程。

3.2 實(shí)現(xiàn)過程

定義單句柄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，用于每一個(gè)完成端口，也就是每一個(gè)Socket的參數(shù)。具體結(jié)構(gòu)定義如下：

大體上來講，使用完成端口只用遵循如下幾個(gè)步驟：

1） 調(diào)用 CreateIoCompletionPort（） 函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)完成端口，而且在一般情況下，只需要建立一個(gè)完成端口。

2） 根據(jù)系統(tǒng)中有多少個(gè)處理器，就建立多少個(gè)工作者線程；

3） 接收客戶端socket連接，共有兩種處理方法：一是啟動(dòng)一個(gè)獨(dú)立的線程，接受客戶端的連接請求；二是使用異步AcceptEx（）請求。該文采用第二種方式。

4） 每當(dāng)有客戶端連入的時(shí)候，調(diào)用CreateIoCompletionPort（）函數(shù)，這里卻不是新建立完成端口了，而是把新連入的Socket（也就是前面所謂的設(shè)備句柄），與目前的完成端口綁定在一起。至此，就已經(jīng)完成了完成端口的相關(guān)部署工作了。

5） 客戶端連入之后，可以在這個(gè)Socket上提交一個(gè)網(wǎng)絡(luò)請求，例如WSARecv（），然后系統(tǒng)就會自動(dòng)去執(zhí)行接收數(shù)據(jù)的操作；

6） 而此時(shí)，預(yù)先準(zhǔn)備的那幾個(gè)Worker線程開始工作，都需要分別調(diào)用GetQueuedCompletionStatus（） 函數(shù)在掃描完成端口的隊(duì)列里是否有網(wǎng)絡(luò)通信的請求存在（例如讀取數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)等），一旦有的話，就將這個(gè)請求從完成端口的隊(duì)列中取回來，繼續(xù)執(zhí)行本線程中后面的處理代碼，處理完畢之后，可以再繼續(xù)投遞下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的請求，如此循環(huán)。

4 關(guān)鍵問題處理

4.1服務(wù)器搭建

在互聯(lián)網(wǎng)上通過C/S模型實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，首要的問題是服務(wù)器的搭建。普通使用者的需要的是方便、便宜的服務(wù)器。

本系統(tǒng)服務(wù)端所在主機(jī)通過使用花生殼動(dòng)態(tài)域名6.0將本地主機(jī)設(shè)置為服務(wù)器，如圖4所示?；ㄉ鷼?dòng)態(tài)域名軟件通過注冊的域名動(dòng)態(tài)生成本機(jī)的IP地址，客戶端以服務(wù)器域名為參數(shù)利用API函數(shù)gethostbyname（）獲得服務(wù)器的IP，通過指定的端口與服務(wù)端建立網(wǎng)絡(luò)連接。

4.2包排序接收信息重組處理

在接收各子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文數(shù)據(jù)時(shí)，由于TCP/IP協(xié)議對數(shù)據(jù)的封裝操作，導(dǎo)致報(bào)文數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程重新組合、打包發(fā)送，存在以下情況：1一幀數(shù)據(jù)被拆分，附在其他報(bào)文數(shù)據(jù)的幀頭或者幀尾打包；2前一幀數(shù)據(jù)同下一幀或幾幀報(bào)文一起打包。為避免出現(xiàn)采用網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)過程中的“丟幀”現(xiàn)象，根據(jù)數(shù)據(jù)幀的報(bào)文結(jié)構(gòu)，對接收的報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，重新組合成一幀完整的報(bào)文，處理流程如圖5所示[4]。

4.3 傳送文件

利用Winsock提供的專門傳輸文件和內(nèi)存數(shù)據(jù)的函數(shù)TransmitFile（）傳輸時(shí)，只需要傳遞已打開的文件句柄和要發(fā)送的字節(jié)數(shù)。轉(zhuǎn)換模式操作只在調(diào)用CreateFile（）打開文件時(shí)發(fā)生一次，然后TransmitFile（）再發(fā)生一次。這樣的效率相比每次都調(diào)用ReadFile（）和WSASend（）都會涉及一次從用戶模式到內(nèi)核模式的轉(zhuǎn)換要高多了。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)服務(wù)端采用IOCP模型，只需要少量的工作線程來完成大量的網(wǎng)絡(luò)操作，且線程的數(shù)量隨CPU數(shù)量線性增加。該文設(shè)計(jì)的桌面廣告投放系統(tǒng)可以高效得處理多并發(fā)，解決了客戶端連接量巨大，小容量數(shù)據(jù)頻繁收發(fā)的問題，實(shí)現(xiàn)了桌面投放系統(tǒng)的初步功能。通過測試，該系統(tǒng)可以滿足大并發(fā)量的桌面投放要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王震，徐博，等.單客戶機(jī)-多服務(wù)器模式下IOCP的應(yīng)用與研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011（10）：385-386.

[2] Jose Vitor . Another TCP echo server using IOCP [EB/OL]. （2013-03-27）. http：//www.codeproject.com/Tips/95363/Another-TCP-echo-server-using-IOCP.

[3] 樹愛兵，徐棱，等.IOCP機(jī)制在交通信號控制系統(tǒng)通信服務(wù)器中的應(yīng)用[J].微型電腦應(yīng)用，2012，28（7）：55-57.

[4] 褚凱，楊茜.光電火控實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2012（3）.