實時高效的共享內(nèi)存技術(shù)在高速磁浮交通仿真中的應(yīng)用

張旭彤

摘要：該文論述了一種實施高效的共享內(nèi)存技術(shù)，它可用于高速磁浮交通仿真中仿真計算機或者仿真服務(wù)器內(nèi)部的多進程通信管理和信息傳輸，并且能夠滿足磁浮仿真環(huán)境中三層硬件架構(gòu)（頂層工作站、中間層服務(wù)器、底層管理計算機）之間的網(wǎng)絡(luò)通信要求，以完成對磁浮功能軟件的測試與驗證。在統(tǒng)一的報文格式下，該共享內(nèi)存技術(shù)使用配置文件記錄通信節(jié)點的起始端口和IP地址等信息，確保了通信進程的獨立性和實時性。此外，選取共享內(nèi)存技術(shù)以實現(xiàn)仿真環(huán)境中應(yīng)用層和通信層之間的數(shù)據(jù)傳輸，提高仿真環(huán)境處理數(shù)據(jù)的效率，確保高速磁浮交通仿真的傳輸性能。

關(guān)鍵詞：多進程通信；共享內(nèi)存技術(shù)；高速磁浮交通仿真；網(wǎng)絡(luò)通信

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）26-0248-02

1研究背景

為了實現(xiàn)高速磁浮交通仿真中仿真計算機或仿真服務(wù)器內(nèi)部的信息傳輸或者數(shù)據(jù)傳輸，以完成對本機所運行的磁浮功能軟件進行環(huán)境故障注入條件下的系統(tǒng)功能和性能的測試與驗證，需要使用一種可在多進程之間切換的高效通信技術(shù)。高速磁浮仿真的硬件架構(gòu)分為三層：底層是子系統(tǒng)仿真管理計算機，中間層是仿真支撐服務(wù)器，頂層是工作站仿真計算機。由于仿真環(huán)境通過以太網(wǎng)相連，網(wǎng)絡(luò)中的每一臺機器不僅作為一個通信節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)進行信息傳輸，而且需要與多種類的磁浮功能軟件進行數(shù)據(jù)交互。共享內(nèi)存技術(shù)作為最高效的本機進程間通信技術(shù)，可以快速地將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)映射到多個不同的進程中。因此，在磁浮交通仿真環(huán)境中使用共享內(nèi)存技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)仿真計算機內(nèi)部的多進程通信，還可以提高仿真環(huán)境處理數(shù)據(jù)的效率，減少信息傳遞或者故障注入的響應(yīng)時間，確保高速磁浮交通仿真的傳輸性能。

2 影響因素分析

由于高速磁浮交通仿真的功能特性與通信要求，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院蛯崟r性是通信時的重中之重。而且仿真環(huán)境中各個節(jié)點的端口信息、數(shù)量、IP地址等需要根據(jù)通信需求進行改變，因此通過對仿真環(huán)境中通信節(jié)點的信息傳輸要求分析，可以得到數(shù)據(jù)通信需具有以下特點：

1） 高速磁浮交通仿真環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸是大批量、高頻率的，具體的要求要視仿真設(shè)備終端采集數(shù)據(jù)的頻率和請求發(fā)送的頻率而定；

2） 數(shù)據(jù)傳輸要具有實時性，將仿真設(shè)備采集的數(shù)據(jù)實時傳給網(wǎng)絡(luò)中的通信層，并且對異?；蛘哧惻f數(shù)據(jù)進行清除；

3） 仿真環(huán)境中磁浮計算機與通信節(jié)點采用“一對多”的關(guān)系；

4） 通信節(jié)點的端口信息、地址等可能改變，需要手動配置通信節(jié)點的信息；

5） 為了維護磁浮仿真環(huán)境的可擴展性，通信節(jié)點可能發(fā)生增加或刪除的情況，需要對通信節(jié)點做增刪操作。

3 方案設(shè)計

在高速磁浮交通仿真環(huán)境中，每一臺計算機中的軟件架構(gòu)分為通信層與應(yīng)用層。通信層進程主要負責(zé)為應(yīng)用層和其他通信節(jié)點提供通信服務(wù)，并且監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的通信狀態(tài)，定時記錄通信日志等；應(yīng)用層進程即為環(huán)境中各個磁浮模塊運行的磁浮功能軟件，與用戶及通信層進程進行交互。為了確保高速磁浮交通仿真的傳輸性能，本機間進程通過共享內(nèi)存方式進行通信，并且同時為通信層與應(yīng)用層提供可讀寫的共享內(nèi)存接口，將共享內(nèi)存技術(shù)封裝為DLL動態(tài)鏈接庫的方式分別提供給通信層與應(yīng)用層以完成進程間的交互。其次，使用Windows系統(tǒng)的Initialization File（.ini文件）對可變化的通信節(jié)點進行配置和管理。

3.1 共享內(nèi)存技術(shù)

高速磁浮交通仿真的共享內(nèi)存技術(shù)采用一種“主—從式”的技術(shù)架構(gòu)。在高速磁浮交通仿真計算機中，共享內(nèi)存同時提供給計算機中的通信層和應(yīng)用層，由通信層進行統(tǒng)一地新建和管理，應(yīng)用層只能發(fā)送請求以獲得對共享內(nèi)存的讀寫權(quán)限。共享內(nèi)存技術(shù)主要是通過內(nèi)存映射文件的方式進行工作，內(nèi)存映射文件通過將文件內(nèi)容復(fù)制給虛擬地址空間，通過互斥鎖管理內(nèi)存的讀寫情況，完成多進程之間的通信。當(dāng)內(nèi)存映射文件被創(chuàng)建后，需要通信的線程分別將此對象載入自己的地址空間。此過程完成后，對此塊內(nèi)存的讀寫會實時的反映到另一個使用此共享內(nèi)存的進程中。

共享內(nèi)存技術(shù)以DLL動態(tài)鏈接庫中函數(shù)的形式提供給通信層與應(yīng)用層。載入動態(tài)鏈接庫文件并成功調(diào)用相應(yīng)的初始化函數(shù)之后，進程便有了對相應(yīng)共享內(nèi)存的讀寫權(quán)限。當(dāng)有報文到達時，進程將報文傳給對應(yīng)的共享內(nèi)存塊（從對應(yīng)的共享內(nèi)存塊中取出）。在每一個共享內(nèi)存塊中，使用互斥鎖Mutex控制一個進程內(nèi)多個線程對其的使用權(quán)。當(dāng)某一個線程對共享內(nèi)存塊進行讀（寫）操作時，將Mutex置為鎖狀態(tài)，使其他調(diào)用相同共享內(nèi)存塊的線程置為阻塞狀態(tài)，直到該讀（寫）操作結(jié)束并且Mutex為解鎖狀態(tài)，再將內(nèi)存塊的使用權(quán)交給其他線程。在每一個共享內(nèi)存塊中，使用事件Event實現(xiàn)共享內(nèi)存的讀寫同步機制。當(dāng)某一個“寫入”共享內(nèi)存塊的Mutex為解鎖狀態(tài)并且內(nèi)存內(nèi)容為空時，則將SetEvent（）函數(shù)置為掛起狀態(tài)，等待線程的調(diào)用以及寫操作的信號。當(dāng)某一個“讀出”共享內(nèi)存塊的Mutex為解鎖狀態(tài)并且內(nèi)存內(nèi)容不為空時，無需線程調(diào)用自動將SetEvent（）函數(shù)置為發(fā)信號狀態(tài)以進行讀操作。直到線程讀取完畢，解除發(fā)信號狀態(tài)以實現(xiàn)讀寫同步機制。通過實現(xiàn)共享內(nèi)存的讀寫同步機制，可以大大提高進程通信的實時性以保證磁浮仿真環(huán)境的傳輸效率。

3.2 共享內(nèi)存代理

在高速磁浮仿真環(huán)境中，由于通信節(jié)點的數(shù)量較多并且具有不確定性，對建立的大量共享內(nèi)存塊進行查找會降低進程通信的傳輸效率，進程可能會花費大量的時間查找對應(yīng)的共享內(nèi)存塊，即使該共享內(nèi)存塊可能早以銷毀。因此在建立一組共享內(nèi)存塊的基礎(chǔ)上，此共享內(nèi)存技術(shù)同時建立一個共享內(nèi)存代理Container。

共享內(nèi)存代理Container將所有的共享內(nèi)存塊組成一個Map，并且以窗口的形式存儲。共享內(nèi)存代理存儲共享內(nèi)存塊的數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和地址指針等信息。進程只需提供通信節(jié)點名稱以及收發(fā)地址即可調(diào)用共享內(nèi)存代理，使用對應(yīng)的共享內(nèi)存塊進行通信。同時共享內(nèi)存代理使用3.1中的互斥體Mutex控制多進程對共享內(nèi)存塊的讀寫操作。共享內(nèi)存代理使用事件Event維護共享內(nèi)存塊的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)Mutex為鎖狀態(tài)時，代理向特定的共享內(nèi)存塊發(fā)送Event信號，將共享內(nèi)存塊置為“讀（寫）”狀態(tài)或者返回共享內(nèi)存塊不存在或錯誤信號給進程。

此外，共享內(nèi)存塊在建立的時候需要存儲名稱、ip地址、是否記錄日志等各種各樣的信息，但是共享內(nèi)存代理只存儲內(nèi)存塊的指針信息、是否可以讀寫的狀態(tài)等少量信息。所以進程只需要提供少量的信息就可以調(diào)用共享內(nèi)存代理，讓代理去處理讀寫的問題，進程只需等待反饋即可。因此，使用共享內(nèi)存代理解決了查找大量共享內(nèi)存塊所帶來的效率降低問題，加快了進程讀寫的速度。

3.3 配置文件

共享內(nèi)存使用Windows系統(tǒng)的Initialization File（.ini文件）對通信節(jié)點的端口信息、端口數(shù)量、起始地址、IP地址等其他信息進行配置和管理。由于高速磁浮交通仿真使用P2P通信協(xié)議作為通信架構(gòu)，因此每一臺仿真計算機都擁有多個不同功能的通信節(jié)點。共享內(nèi)存通過讀取.ini文件中通信節(jié)點信息，使用CreateFileMapping（）創(chuàng)建文件映射，新建出通信結(jié)點數(shù)量的兩倍的共享內(nèi)存塊。通過讀取通信節(jié)點的名稱，為每一個通信節(jié)點分配一個“讀出”共享內(nèi)存塊和一個“寫入”共享內(nèi)存塊，并且每一個共享內(nèi)存塊使用MapViewOfFile（）或MapViewOfFileEx（）函數(shù)，將文件映射到調(diào)用的進程地址空間中。用戶只需要修改文本信息即可達到增刪改共享內(nèi)存的效果，以此提高了共享內(nèi)存技術(shù)的高效性。

4 實驗結(jié)果

根據(jù)共享內(nèi)存的設(shè)計方案，編寫對應(yīng)的.ini配置文件，將共享內(nèi)存技術(shù)封裝為DLL文件提供給通信層和應(yīng)用層之后，在傳輸速率為100Mbps的局域網(wǎng)中進行測試驗證，得到結(jié)果如下表：

5 結(jié)束語

文中論述的共享內(nèi)存技術(shù)確保了高速磁浮交通仿真環(huán)境可以實時高效的進行進程間通信，實現(xiàn)了頂層工作站、中層服務(wù)器與底層管理計算機之間的進程交互要求，并且在傳輸大量數(shù)據(jù)的前提下，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c效率。同時通信層與應(yīng)用層完全互相獨立，通信節(jié)點可根據(jù)用戶需求靈活配置，極大地增加了該共享內(nèi)存技術(shù)的可擴展性，為今后的磁浮仿真環(huán)境的通信需求調(diào)整、通信節(jié)點增刪提供了良好的基礎(chǔ)。并且該共享內(nèi)存技術(shù)不僅適用于此磁浮仿真環(huán)境中，還可應(yīng)用于類似的交通局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信中。

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