基于IOCP的放射源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

楊冬黎，楊 斌

(1. 東北石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2. 黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，哈爾濱150090)

放射源是核技術(shù)應(yīng)用的必然產(chǎn)物，是安全管理的重要組成部分，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)目前放射源使用數(shù)目年均以20%的速度在增加[1].為確保放射源得到有效安全的控制，放射性廢物和廢棄放射源得到安全儲(chǔ)存處置，減少其對(duì)人們?cè)诮?jīng)濟(jì)、健康等方面造成的危害，必須建立一套構(gòu)筑核與輻射安全監(jiān)管防護(hù)體系[2].在這種情況下，純?nèi)斯す芾砭S護(hù)幾乎不可能[3]，所以放射源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生.

放射源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)放射源及其相關(guān)設(shè)施的三位一體的監(jiān)控，即：實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控輻射環(huán)境劑量率，追蹤放射源位置，監(jiān)視放射源周圍環(huán)境等，使管理部門及時(shí)掌控放射源的動(dòng)態(tài)信息；此外在核泄露發(fā)生時(shí)，還可以部署應(yīng)急監(jiān)控設(shè)備，一方面可以作為警戒圍欄向誤入警戒范圍的人畜發(fā)出聲光報(bào)警，另一方面可以通過機(jī)械設(shè)施將應(yīng)急系統(tǒng)投入超出人體所能承受的高輻射劑量的區(qū)域，可以為應(yīng)急指揮現(xiàn)場(chǎng)提供準(zhǔn)確的劑量讀數(shù)參考.

隨著我國環(huán)境保護(hù)工作的發(fā)展，我國放射源監(jiān)測(cè)技術(shù)也取得了較大的進(jìn)步，但由于國內(nèi)放射源監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的搭建正處在探索階段[4]，特別是在數(shù)據(jù)服務(wù)器研發(fā)方面多數(shù)停留在科學(xué)研究層面上，并沒有過多的理論可供參考，而且多數(shù)研制成型上位機(jī)只是針對(duì)特定需求而進(jìn)行開發(fā)的，功能單一、缺少靈活性.雖然國內(nèi)外有完成端口在信息通信方面應(yīng)用的實(shí)例，但當(dāng)前放射源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多通過串口或有線連接方式進(jìn)行傳輸，因此對(duì)基于無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的研究，特別是對(duì)其優(yōu)化則具有較高難度.本文試圖在原有放射源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信優(yōu)化方面展開研究.針對(duì)數(shù)據(jù)通信方式占用服務(wù)器系統(tǒng)資源多、并行處理能力差的缺陷，通過封裝IOCP模型來改善原有數(shù)據(jù)通信方式的不足，并對(duì)封裝IOCP模型優(yōu)化方案進(jìn)行了探索性研究.

1 IOCP內(nèi)涵

IOCP又被稱作“I/O完成端口”，是微軟公司提出的一種運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)之上的各設(shè)備間進(jìn)行I/O處理的高效工作機(jī)制，設(shè)備可以是文件、命名管道、串口、并口等.IOCP是一種基于Windows內(nèi)核級(jí)的一種高效的通信處理機(jī)制，利用此機(jī)制對(duì)Winsock的通信進(jìn)行管理，通過指定數(shù)量的線程，處理重疊的I/O操作[5].

為了測(cè)試IOCP的工作性能，分別采用傳統(tǒng)Socket和完成端口兩種通信方式進(jìn)行的壓力測(cè)試(每秒發(fā)送200個(gè)數(shù)據(jù)包)，圖1、2是在等同環(huán)境下得出的測(cè)試結(jié)果.從圖1中可以看出并發(fā)連接數(shù)越多IOCP的CPU占用率的優(yōu)勢(shì)越明顯，其CPU的占用率比傳統(tǒng)Socket小.圖2中可以看出連接數(shù)越多，IOCP在內(nèi)存占用方面的優(yōu)勢(shì)越明顯.所以采用IOCP工作模式的通信方式更適合大規(guī)模數(shù)據(jù)訪問環(huán)境.

圖1 傳統(tǒng)Socket與IOCP的CPU占用率對(duì)比圖

圖2 傳統(tǒng)Socket與IOCP的內(nèi)存使用情況對(duì)比圖

2 IOCP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信

作為放射源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中連接監(jiān)測(cè)終端和前端監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器,一方面負(fù)責(zé)快速響應(yīng)來自不同地點(diǎn)，數(shù)以千計(jì)放射源監(jiān)測(cè)終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)處理請(qǐng)求和指令請(qǐng)求；另一方面要將各終端工作運(yùn)行狀況及時(shí)反饋給前端控制系統(tǒng)，此外，它還是整個(gè)系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)管理者.所以，數(shù)據(jù)服務(wù)器在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)揮著舉足輕重的作用.放射源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示.

圖3 放射源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

又因?yàn)閿?shù)據(jù)通信架起了前端控制系統(tǒng)和數(shù)采終端溝通的橋梁，缺少它前端控制系統(tǒng)就無法實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)終端的有效監(jiān)控，監(jiān)測(cè)終端也無法將實(shí)時(shí)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心，這樣整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就失去了運(yùn)行的意義.所以如何建立數(shù)據(jù)服務(wù)器和監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)通信，以及數(shù)據(jù)通信優(yōu)化的研究，是保證數(shù)據(jù)服務(wù)器高效運(yùn)行，乃至整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵所在.

通過進(jìn)行放射源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)通信方式進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由于無線網(wǎng)絡(luò)受外界干擾較大，信號(hào)不穩(wěn)定，極易造成網(wǎng)絡(luò)傳輸中斷形成死鏈接.此外，多監(jiān)測(cè)終端的并發(fā)訪問也是對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器工作能力的嚴(yán)峻考驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)服務(wù)器由于申請(qǐng)?jiān)L問量過大無法及時(shí)響應(yīng)，致使終端始終處于等待狀態(tài)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，而且極易遭成網(wǎng)絡(luò)堵塞.這些問題的存在會(huì)最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)服務(wù)器工作效率的極速下降,以及資源迅速耗竭而崩潰，進(jìn)而致使整個(gè)系統(tǒng)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn).

一般通信模塊都是先創(chuàng)建一個(gè)accept線程等待一個(gè)用戶發(fā)出請(qǐng)求，并為每個(gè)用戶請(qǐng)求都創(chuàng)建一個(gè)新的線程.然后accept線程被掛起，等待下一個(gè)用戶請(qǐng)求的到來.但是這種通信模塊也有問題，問題的瓶頸就是應(yīng)用程序?yàn)槊總€(gè)用戶請(qǐng)求都創(chuàng)建了一個(gè)線程，而且這些線程不會(huì)被掛起，操作系統(tǒng)要花大量的時(shí)間來進(jìn)行線程調(diào)度，極大的浪費(fèi)了CPU資源[6].

針對(duì)上述問題和傳統(tǒng)放射源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信方面的優(yōu)化研究，以放射源數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)服務(wù)器和監(jiān)測(cè)終端間的數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)服務(wù)器內(nèi)部通信模塊的工作機(jī)制為主要研究對(duì)象，通過對(duì)完成端口的工作模式在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的研究，擬將這些技術(shù)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)進(jìn)行融和，相對(duì)于傳統(tǒng)的通信方式采用封裝了高效I/O模式的完成端口工作模式則更適合這種大訪問量的數(shù)據(jù)通信.其工作線程不會(huì)阻塞在費(fèi)時(shí)的I/O操作上，且可以為任何用戶的任何I/O操作服務(wù)，使線程和CPU的利用率增高，且只需少數(shù)幾個(gè)線程就可以處理大量I/O請(qǐng)求，避免CPU花費(fèi)時(shí)間在大量線程調(diào)度上.具體情形是IOCP(I/O完成端口)模型根據(jù)用戶設(shè)定，事先開好多個(gè)線程存儲(chǔ)在線程池中.然后所有用戶的請(qǐng)求都投遞到一個(gè)完成端口上，然后各線程逐一地從完成端口中取得用戶消息并加以處理，這就避免了為每個(gè)用戶開一個(gè)線程，既減少了線程資源，又提高了線程的利用率，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)通信的優(yōu)化.IOCP模型圖如圖4所示.

3 數(shù)據(jù)包排序問題的優(yōu)化

IOCP通信服務(wù)程序使用多個(gè)線程來實(shí)現(xiàn)高性能和高并發(fā)性，因此異步I/O請(qǐng)求的線程與異步處理I/O完成的線程可能不是同一個(gè)線程，工作者線程的完成順序是不確定的.換句話說，先完成異步I/O的可能后處理，后完成異步I/O的可能先處理.當(dāng)用戶請(qǐng)求投遞到IOCP來發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，等待發(fā)送的數(shù)據(jù)也被重新排序了.針對(duì)該問題，通過在緩沖類中增加讀寫順序號(hào)，并且按照順序號(hào)來處理內(nèi)存.如果順序號(hào)相同，那么這個(gè)數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行處理，否則，要將不正確的順序號(hào)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行緩存，直到它之前的數(shù)據(jù)包處理完后才可以處理它.

圖4 IOCP模型

4 結(jié) 語

本文開發(fā)了一個(gè)基于IOCP的放射源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)通信方式進(jìn)行了改進(jìn)，以適應(yīng)系統(tǒng)的工作環(huán)境，從根本上發(fā)揮完成端口在處理大量并發(fā)訪問方面的優(yōu)勢(shì)，提升數(shù)據(jù)服務(wù)器的吞吐量和工作效率，有利于工作人員對(duì)放射源的檢測(cè)與監(jiān)控，從而對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析與總結(jié).

參考文獻(xiàn)：

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