IOCP在水下安防系統(tǒng)監(jiān)控軟件中的應(yīng)用

摘 要： 在此給出完成端口在某水下安防系統(tǒng)監(jiān)控軟件中的一種應(yīng)用，在簡(jiǎn)要介紹完成端口模型的基礎(chǔ)上，敘述了利用完成端口實(shí)現(xiàn)安防系統(tǒng)監(jiān)控軟件底層通信模塊的方法，并構(gòu)建了一個(gè)完整的監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)架。該方法提高了監(jiān)控軟件網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)吞吐率，節(jié)約了CUP資源，同時(shí)在該構(gòu)架下能夠輕松實(shí)現(xiàn)安防系統(tǒng)軟硬件的擴(kuò)展和升級(jí)。

關(guān)鍵字： 完成端口（IOCP）； 網(wǎng)絡(luò)通信； 水下安防系統(tǒng)； 監(jiān)控軟件

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）04?0077?03

某水下安防系統(tǒng)監(jiān)控中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將各個(gè)傳感器子系統(tǒng)連接到局域網(wǎng)中，各傳感器子系統(tǒng)包括水下被動(dòng)聲納、水面雷達(dá)、岸基式AIS等組成，通過(guò)監(jiān)控中心千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接到兩臺(tái)監(jiān)控中心主機(jī)上，其中主機(jī)1完成安防狀態(tài)三維顯示及數(shù)據(jù)服務(wù)器的功能，主機(jī)2負(fù)責(zé)安防狀態(tài)控制功能。監(jiān)控中心各子系統(tǒng)主機(jī)通過(guò)TCP方式（即C/S模式）與主機(jī)1數(shù)據(jù)服務(wù)器連接，監(jiān)控中心的主機(jī)2接收數(shù)據(jù)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)各傳感器子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，各子系統(tǒng)之間通過(guò)主機(jī)1數(shù)據(jù)服務(wù)器可自由收發(fā)數(shù)據(jù)。

1 必要性

圖1是監(jiān)控中心各子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖。在Windows操作系統(tǒng)中通常實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信程序有如下這幾種模型：Select，WSAAsyncSelect，WSAEventSelect，I/O重疊模型、完成端口[1]。前面3種模型采用阻塞模式對(duì)端口進(jìn)行操作，具有編程簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，適用于數(shù)據(jù)吞吐量不大的應(yīng)用。另外，在阻塞模式下，程序在處理多個(gè)客戶端并發(fā)事件時(shí)需要對(duì)每一個(gè)客戶開(kāi)辟一個(gè)線程去處理，此時(shí)響應(yīng)多個(gè)客戶請(qǐng)求時(shí)就需要CPU不停地在每個(gè)線程之間進(jìn)行上下文的切換，因?yàn)榫€程切換是相當(dāng)浪費(fèi)CPU時(shí)間的，所有阻塞通信加多線程模式是一種需要占用大量CPU時(shí)間的編程模式。

I/O重疊模型和完成端口模型都高性能的非阻塞異步通信模式[1]，非阻塞的異步通信模式通常內(nèi)部提供了線程池的管理，可以避免反復(fù)創(chuàng)建線程的開(kāi)銷，同時(shí)可以根據(jù)CPU的個(gè)數(shù)靈活地決定線程個(gè)數(shù)，而且可以減少線程調(diào)度的次數(shù)從而提高性能，大大降低了CPU的占用時(shí)間。非阻塞的異步通信模式通常編程難度大，一般只應(yīng)用與大型服務(wù)器。該安防系統(tǒng)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間不相同，采集數(shù)據(jù)量大易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)多個(gè)并發(fā)事件，需要數(shù)據(jù)服務(wù)器同時(shí)響應(yīng)并處理并發(fā)事件，作為監(jiān)控中心主機(jī)1（數(shù)據(jù)服務(wù)器）的網(wǎng)絡(luò)通信程序必須采用高性能非阻塞的異步通信模式編寫。另外，數(shù)據(jù)服務(wù)器主機(jī)同時(shí)需要負(fù)責(zé)安防態(tài)勢(shì)的解算、三維場(chǎng)景計(jì)算及實(shí)時(shí)顯示功能，對(duì)CPU和內(nèi)存等系統(tǒng)資源使用要求較高。I/O重疊模型和完成端口模型都是高性能的非阻塞異步通信模式，考慮到編程難度相當(dāng)且完成端口的性能更加優(yōu)秀，因此在該項(xiàng)目中使用更高性能的完成端口（IOCP）模型編制服務(wù)器程序。

2 IOCP簡(jiǎn)介

完成端口（Completion Port）是一種基于重疊 I/O（Overlapped I/O）的高性能異步通信機(jī)制，使用設(shè)備內(nèi)核對(duì)象來(lái)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收[2]。當(dāng)使用完成端口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，應(yīng)用程序只需要向操作系統(tǒng)提交數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的請(qǐng)求，此時(shí)應(yīng)用程序可以自由地做其他事情而不會(huì)被阻塞，操作系統(tǒng)會(huì)在網(wǎng)絡(luò)I/O操作“完成”之后通知應(yīng)用程序，應(yīng)用程序在接到系統(tǒng)的通知時(shí)，網(wǎng)絡(luò)操作已經(jīng)完成，此時(shí)應(yīng)用程序只需要處理后面的事情了。完成端口就是不斷投遞重疊 I/O 操作，將耗時(shí)的操作交給系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行，應(yīng)用程序便獲得了解放。

3 IOCP的實(shí)現(xiàn)

作為Windows操作系統(tǒng)最復(fù)雜的內(nèi)核對(duì)象，下面簡(jiǎn)要說(shuō)明完成端口實(shí)現(xiàn)的步驟[1]：

（1） 調(diào)用CreateIoCompletionPort（ HANDLE FileHandle，HANDLE ExistingCompletionPort， ULONG_PTR CompletionKey，DWORD NumberOfConcurrentThreads）函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)完成端口，函數(shù)第4個(gè)參數(shù)保持為0，它指定在完成端口上每個(gè)CPU一次只允許執(zhí)行一個(gè)工作者線程；

（2） 判斷系統(tǒng)內(nèi)有幾個(gè)CPU；

（3） 創(chuàng)建工作者線程，根據(jù)步驟2得到的CPU信息，在完成端口上為已完成的I/O請(qǐng)求提供服務(wù)，為避免由于線程數(shù)量不足而使CPU處于空閑的局面，通常創(chuàng)建2倍于CPU數(shù)量的工作者線程以供使用；

（4） 準(zhǔn)備好一個(gè)監(jiān)聽(tīng)套接字，綁定到本機(jī)IP上，在端口5000上監(jiān)聽(tīng)傳入的連接請(qǐng)求；

（5） 使用AcceptEX函數(shù)，接受入站的連接請(qǐng)求；

（6） 創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于保存單句柄數(shù)據(jù)，同時(shí)在結(jié)構(gòu)中存入接受的套接字；

（7） 調(diào)用CreateIoCompletionPort，將自AcceptEx返回的新套接字句柄同完成端口關(guān)聯(lián)到一起，通過(guò)completionKey參數(shù)，將單句柄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳遞給CreateIoCompletionPort；

（8） 開(kāi)始在已接收的連接上進(jìn)行I/O操作。在此，希望通過(guò)重疊I/O機(jī)制在新建的套接字上投遞一個(gè)或多個(gè)異步WSARecv或WSASend請(qǐng)求，這些I/O請(qǐng)求完成后，工作者線程會(huì)為I/O請(qǐng)求提供服務(wù)，同時(shí)繼續(xù)處理以后的I/O請(qǐng)求；

（9） 重復(fù)步驟（5）～（8），直至服務(wù)器終止。

4 IOCP在某安防系統(tǒng)中的應(yīng)用

數(shù)據(jù)服務(wù)器主機(jī)軟件除了負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)的功能外還負(fù)責(zé)地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、傳感器數(shù)據(jù)融合、安防態(tài)勢(shì)的解算、目標(biāo)軌跡濾波插值、三維場(chǎng)景計(jì)算及實(shí)時(shí)顯示功能，該軟件在使用完成端口的通信模式在安防系統(tǒng)中的程序流程圖如圖2所示。

為了使用的方便以及代碼的重用，在該軟件中將完成端口（IOCP）封裝成一個(gè)完成端口通信類 CIocpServer，提供了連接、監(jiān)聽(tīng)、發(fā)送、接收等基本網(wǎng)絡(luò)通信功能，同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)保存到特定內(nèi)存中，提供給上一級(jí)模塊調(diào)用。

在測(cè)試該軟件完成端口通信模塊時(shí)，筆者采用NetAssist網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手作為客戶端軟件，以5 ms的發(fā)送速度向該軟件發(fā)送數(shù)據(jù)，為便于觀察系統(tǒng)資源占用情況，將服務(wù)器和客戶端軟件放置在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，如圖3所示有數(shù)據(jù)通信時(shí)2個(gè)軟件系統(tǒng)資源的占用情況。

圖4中，紫色部分為某安防軟件SZMoniSys系統(tǒng)占用情況，藍(lán)色部分為網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手NetAssist系統(tǒng)占用情況。由圖可知采用完成端口作為以太網(wǎng)的通信程序其CUP占用率幾乎可以忽略，而網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手NetAssist的CUP占用率卻達(dá)到了25%。如表1所示。

從表中可以看出完成端口模式在軟件中使用時(shí)，繁忙和空閑時(shí)CPU占用率基本沒(méi)有變化，幾乎可以忽略不計(jì)，大大節(jié)約了系統(tǒng)硬件資源，把寶貴的系統(tǒng)資源留給數(shù)據(jù)分析處理、三維場(chǎng)景計(jì)算和顯示。

另外，在今后的安防系統(tǒng)中，需要增減雷達(dá)、紅外監(jiān)視器等傳感器設(shè)備時(shí)，要求監(jiān)控軟件具有良好的伸縮性，在該軟件中由于采用了C++標(biāo)準(zhǔn)類的形式封裝了完成端口，進(jìn)一步提高了IOCP模型優(yōu)良的擴(kuò)展性能，使得該監(jiān)控軟件具有通用性強(qiáng)，擴(kuò)展便捷的特點(diǎn)，輕松實(shí)現(xiàn)傳感器的增減。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種滿足某安防系統(tǒng)中的高性能通信服務(wù)器端架構(gòu)并完成服務(wù)器底層通信的開(kāi)發(fā)。完成端口（IOCP）作為一個(gè)高效但復(fù)雜精巧的Windows內(nèi)核I/O對(duì)象[3]，能提供了最好的伸縮性和最高的數(shù)據(jù)吞吐率，將節(jié)約的大量寶貴系統(tǒng)資源留給軟件需要完成的更主要功能，恰好滿足服務(wù)器“高性能”的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，采用基于完成端口的通信服務(wù)模式表現(xiàn)出了優(yōu)良的穩(wěn)定性、顯著的性能優(yōu)勢(shì)、優(yōu)異的軟件和硬件擴(kuò)展性，同時(shí)在保證了系統(tǒng)高性能運(yùn)行的基礎(chǔ)上極大地降低了系統(tǒng)軟硬件成本、系統(tǒng)復(fù)雜性以及維護(hù)開(kāi)發(fā)成本。本文提供的基于完成端口的通信服務(wù)器在很大程度上優(yōu)化了對(duì)系統(tǒng)資源的利用和用戶的調(diào)用，經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，效率和性能比傳統(tǒng)方式要高出許多，因此可以應(yīng)用于水下安防系統(tǒng)三維視景軟件數(shù)據(jù)服務(wù)器的使用。

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