基于RPC框架的輔料配盤信息管理系統(tǒng)*

段青娜，王文才，翟 潔，程 倩

（紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，昆明 650231）

1 引 言

在企業(yè)信息化飛速發(fā)展的今天，計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信息安全技術(shù)的不斷成熟，讓更多企業(yè)在新的時(shí)期以新的運(yùn)營(yíng)模式獲利;人們也越來越認(rèn)識(shí)到信息化技術(shù)在傳統(tǒng)企業(yè)向信息化現(xiàn)代企業(yè)轉(zhuǎn)型過程中所起的重要作用。在現(xiàn)代企業(yè)管理中，信息系統(tǒng)是不可或缺的一部分。信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了企業(yè)重要數(shù)據(jù)的高效、精確的管理，讓數(shù)據(jù)可以安全存儲(chǔ)、合理使用、范圍共享，進(jìn)而改善了企業(yè)的管理方式，增強(qiáng)了管理流程的合理性，提高了效率。高效的企業(yè)管理能讓一個(gè)企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。要建設(shè)企業(yè)的信息化，就必須使用信息系統(tǒng)來管理企業(yè)。采用數(shù)據(jù)分析、流程控制等模型，用數(shù)據(jù)為企業(yè)的決策提供依據(jù)，使企業(yè)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售、管理更加合理有效，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的洪流中贏得一席之地，讓企業(yè)走的更高更遠(yuǎn)[1-2]。

根據(jù)業(yè)務(wù)需求，對(duì)涉及的業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)流向進(jìn)行分類歸納，并基于RPC框架，制定了一套與上下游系統(tǒng)對(duì)接的通信架構(gòu)，從而提高共享業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性、時(shí)效性。通信框架的信息交換主要是在上位機(jī)、電氣設(shè)備、上游系統(tǒng)之間進(jìn)行的，開發(fā)一套高效的數(shù)據(jù)交換機(jī)制，可保證生產(chǎn)監(jiān)控、調(diào)度的時(shí)效性[3]。

2 RPC的基礎(chǔ)理論

2.1 RPC概念

在工業(yè)軟件中，為了保證在監(jiān)控、調(diào)度方面的時(shí)效性，常使用C/S結(jié)構(gòu)來開發(fā)信息系統(tǒng)。而RPC(Remote Procedure Call，遠(yuǎn)程過程調(diào)用)框架是采用了C/S結(jié)構(gòu)的軟件中常用的一種通訊框架[4]，它的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 RPC框架結(jié)構(gòu)原理示意圖

RPC是基于Socket，并對(duì)Socket底層進(jìn)行一次封裝的框架。它允許程序調(diào)用另一個(gè)地址空間（通常位于共享網(wǎng)絡(luò)中的另一臺(tái)機(jī)器上）的過程或函數(shù)，而不用軟件開發(fā)者顯示這個(gè)遠(yuǎn)程調(diào)用的編碼細(xì)節(jié)。即軟件開發(fā)者無論是調(diào)用本地的還是非本地的命令，從根本上來說，所調(diào)用執(zhí)行的代碼是完全一致的。

在傳統(tǒng)軟件的開發(fā)過程中，程序是在開發(fā)者的本地環(huán)境下編譯生成的，并且只能運(yùn)行在本地環(huán)境，計(jì)算機(jī)與程序形成一種本地調(diào)用關(guān)系。但在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，這種傳統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)是無法滿足當(dāng)前的實(shí)際需求的。

2.2 RPC封裝

傳統(tǒng)的本地調(diào)用模式無法充分利用同節(jié)點(diǎn)的其他主機(jī)的計(jì)算性能和資源，比如CPU、GPU、內(nèi)存等，也無法讓代碼在不同的環(huán)境中進(jìn)行共享，這使得主機(jī)資源不能得到充分使用。

針對(duì)該情況，運(yùn)用RPC模式，就可以讓同局域網(wǎng)內(nèi)的不同服務(wù)器之間共享處理環(huán)境和內(nèi)存，隨之將應(yīng)用程序分布在多臺(tái)服務(wù)器上。程序就像運(yùn)行在一臺(tái)單一的服務(wù)器上一樣，可以通過方便的代碼實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)用代碼來實(shí)現(xiàn)代碼共享，提高硬件設(shè)備的資源利用率，也可以將大量的計(jì)算處理放在性能較強(qiáng)的服務(wù)器上運(yùn)行，從而降低前端對(duì)硬件設(shè)備的要求程度。

2.3 RPC的功能特點(diǎn)

RPC作為普遍的C/S開發(fā)方法，具有高效、可靠等特點(diǎn)。但RPC方法的基本原則是忽略通訊的集體形式，轉(zhuǎn)而通過最簡(jiǎn)單的方式來調(diào)用程序模塊，讓開發(fā)者能夠?qū)Ｐ膶?shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，而不用去關(guān)心通訊過程。這就意味著RPC的傳輸數(shù)據(jù)包無法具有通用性。與Socket通訊方式相比，在傳輸相同的有效數(shù)據(jù)的情況下，RPC占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬更大。

RPC模式從本質(zhì)上來說也是一種C/S結(jié)構(gòu)的通訊模式，比Socket通訊要高級(jí)一層。當(dāng)RPC的通訊服務(wù)建立完成之后，客戶端通過TCP/IP協(xié)議傳輸調(diào)用參數(shù)，并傳輸RPC的程序號(hào)到相應(yīng)的服務(wù)器上，客戶端將持續(xù)等待服務(wù)端的應(yīng)答，或直至超時(shí)。服務(wù)端接收到客戶端的調(diào)用請(qǐng)求后，會(huì)根據(jù)客戶端傳輸過來的RPC服務(wù)號(hào)來決定具體調(diào)用那一段函數(shù)，并執(zhí)行相應(yīng)的代碼，將執(zhí)行結(jié)果返回給客戶端。當(dāng)服務(wù)端的RPC調(diào)用結(jié)束后，會(huì)發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)給客戶端，客戶端才會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。這樣一次完整的RPC調(diào)用就算結(jié)束了。在整個(gè)RPC調(diào)用過程中，通過程序號(hào)來確定具體調(diào)用的函數(shù)段，通過設(shè)備號(hào)來確定具體的執(zhí)行設(shè)備，通過版本號(hào)來確定調(diào)用不同版本的代碼段。

3 系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

(1)傳輸協(xié)議(Protocol)

傳輸協(xié)議中各層都為上一層提供業(yè)務(wù)功能。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同層次間進(jìn)行傳遞，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包。通過向數(shù)據(jù)中加入包頭和包尾的方式，來將一段數(shù)據(jù)打包成一個(gè)規(guī)范的數(shù)據(jù)流，這個(gè)過程就叫做數(shù)據(jù)封裝。用戶的所有數(shù)據(jù)都要經(jīng)過多次封裝，才能在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸。傳輸協(xié)議的語法構(gòu)成如下：

其中，各變量的類型及含義如表1所示。

表1 傳輸協(xié)議變量說明

客戶端根據(jù)需要，調(diào)用服務(wù)端中的函數(shù)或過程，客戶端將數(shù)據(jù)打包，服務(wù)端接收到數(shù)據(jù)包后拆包，根據(jù)兩個(gè)標(biāo)志位來判斷客戶端調(diào)用的函數(shù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)包內(nèi)容來讀取客戶端所傳變量或數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)序列化層（Serialize）

序列化是將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或?qū)ο筠D(zhuǎn)換成二進(jìn)制串的過程，也就是編碼的過程。為了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中方便傳輸，將數(shù)據(jù)包序列化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，能夠有效減少丟包和重包的發(fā)生。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)序列化的語句如下：

序列化數(shù)據(jù)封裝的語句如下：

現(xiàn)今序列化的方案越來越多，各個(gè)方案都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，它們?cè)谠O(shè)計(jì)之初也都各有自己獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景。從RPC的角度來看，最感興趣的有以下三點(diǎn)：

通用性：比如是否能支持Map等復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[5-6]；

性能：包括時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度，由于RPC框架將會(huì)被企業(yè)內(nèi)幾乎所有服務(wù)使用，如果序列化上能節(jié)約一點(diǎn)時(shí)間，對(duì)整個(gè)企業(yè)的收益都將非?？捎^，同理如果在序列化上能節(jié)約一點(diǎn)內(nèi)存，網(wǎng)絡(luò)帶寬也能節(jié)省許多；

可擴(kuò)展性：對(duì)互聯(lián)網(wǎng)公司而言，業(yè)務(wù)變化很快，如果序列化協(xié)議具有良好的可擴(kuò)展性，支持自動(dòng)增加新的業(yè)務(wù)字段，刪除老的字段，而不影響老的服務(wù)，將會(huì)大大有利于系統(tǒng)的健壯性。

(3)傳輸層(Transport)

消息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被序列化為二進(jìn)制串后，下一步就要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，Client和Server之間通過Socket長(zhǎng)連接傳輸數(shù)據(jù),并為每個(gè)客戶端開啟線程，實(shí)現(xiàn)NIO傳輸。數(shù)據(jù)傳輸語句如下：

(4)鏈接層(Linking)

鏈接層負(fù)責(zé)建立服務(wù)端與數(shù)據(jù)庫以及UA服務(wù)器之間的鏈接。鏈接數(shù)據(jù)庫的語句如下：

鏈接UAServer的語句如下：

(5)遠(yuǎn)程調(diào)用層

遠(yuǎn)程調(diào)用層主要是處理和響應(yīng)客戶端發(fā)送的請(qǐng)求，以及對(duì)數(shù)據(jù)的整合與處理。

4 系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及連接情況如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖可知，客戶端Client與服務(wù)端Server之間通過Socket長(zhǎng)連接進(jìn)行通訊，并伴有心跳檢測(cè)，客戶端下線后，服務(wù)端會(huì)自動(dòng)斷開與客戶端的鏈接。

服務(wù)端與數(shù)據(jù)庫之間使用SqlConnection進(jìn)行連接。服務(wù)端向數(shù)據(jù)庫發(fā)送Sql語句，數(shù)據(jù)庫執(zhí)行完畢后返回SqlDataReader給服務(wù)端。其具體通訊過程原理如圖3所示。

圖3 Server－DataBase之間通訊示意圖

系統(tǒng)中的Server與OPC_Server之間的通訊是指服務(wù)端需要與下位機(jī)的電氣設(shè)備通過PLC進(jìn)行通訊，所以服務(wù)端需要通過OPC服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。服務(wù)端與OPC服務(wù)器之間采用OpcUA方式連接[7]。配置完成的UAServer如圖4所示。

圖4 配置好的UAServer

4.2 接口設(shè)計(jì)

RPC_Server與 UAServer之間通過 Profinet協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，由于PLC內(nèi)存地址有限，就要求接口通訊內(nèi)容要精簡(jiǎn)高效。

與編程語言類似，PLC中的數(shù)據(jù)類型也有String，bool，int，byte 之分，便于數(shù)據(jù)交互兼容。需要注意的是，PLC中的變量要設(shè)好讀寫權(quán)限，避免同一變量有雙重“寫權(quán)限”，不允許上位機(jī)與電氣設(shè)備對(duì)同一個(gè)變量寫入數(shù)據(jù)，這樣能有效避免臟數(shù)據(jù)。PLC變量讀寫方式如圖5所示。

圖5 PLC變量讀寫方式

一般情況下企業(yè)都會(huì)同時(shí)擁有多個(gè)信息系統(tǒng)，如上游MES系統(tǒng)下達(dá)任務(wù)，輔料配盤信息系統(tǒng)接收到任務(wù)后負(fù)責(zé)執(zhí)行。對(duì)于信息系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互，可以搭建數(shù)據(jù)交互平臺(tái)，以中間數(shù)據(jù)庫的形式做數(shù)據(jù)交互。各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)需要從其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)抽取數(shù)據(jù)，一般都是經(jīng)過匯總的數(shù)據(jù)。為統(tǒng)一管理，要求各業(yè)務(wù)系統(tǒng)把能夠給其它系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至中間庫，由各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)從中間庫下載所需的數(shù)據(jù)[8]。

中間數(shù)據(jù)庫的作用是為數(shù)據(jù)提供臨時(shí)存儲(chǔ)功能。在數(shù)據(jù)進(jìn)行交互或采集的過程中，可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至中間數(shù)據(jù)庫臨時(shí)存儲(chǔ)，并且能在轉(zhuǎn)存過程中提供數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)功能，進(jìn)而保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。中間數(shù)據(jù)庫還能實(shí)現(xiàn)全局?jǐn)?shù)據(jù)共享，對(duì)不同的數(shù)據(jù)庫鏈接，以及復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、檢索和管理。

5 結(jié)束語

輔卷煙輔料在配盤過程中，物料與信息的同步至關(guān)重要，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整性與時(shí)效性，對(duì)基于RPC框架的輔料配盤信息管理系統(tǒng)做了介紹和設(shè)計(jì)。根據(jù)業(yè)務(wù)需求，基于RPC框架制定了一套與上下游系統(tǒng)對(duì)接的通信架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)間與電氣設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。該設(shè)計(jì)可滿足各業(yè)務(wù)的信息共享需求，有助于消除信息孤島。

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