基于Netty的船舶軸系試驗臺架監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化采集方法

王金璐，劉 杰，李 強，陳新華，韓博志

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063；2.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715)

在船舶軸系試驗臺架的試驗過程中，需要長時間地接收傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)采集軟件在長時間的連續(xù)運行中，可能出現(xiàn)一些異常情況，例如程序運行緩慢卡頓、程序運行崩潰或操作系統(tǒng)運行卡頓崩潰等，需要進行相應的異常處理，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性，并向監(jiān)控人員發(fā)出警報。同時，由于數(shù)據(jù)采集軟件需要長時間進行數(shù)據(jù)接收和處理，需要使用較多的計算機資源，采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊方式已經(jīng)無法滿足任務需求[1]，本文設計使用Netty網(wǎng)絡編程框架來提高數(shù)據(jù)采集效率，從而降低計算機資源使用率。

1 監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化采集方法的硬件分析

在船舶軸系試驗臺架的試驗過程中，可能會發(fā)生某一部分的硬件連接異常而導致監(jiān)測數(shù)據(jù)丟失的情況。為了解決此問題，此設計的數(shù)據(jù)采集方法需要保證主機和備用機都可以接收到監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，在主機無法接收到數(shù)據(jù)信息時，備用機可以立即接替主機繼續(xù)執(zhí)行監(jiān)測數(shù)據(jù)接收任務，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)完整。船舶軸系試驗臺架監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的硬件連接方式主要有使用采集卡、串口和可編程邏輯控制器(PLC)3種。

1)使用采集卡接收數(shù)據(jù)。由于采集卡需要內(nèi)嵌到計算機內(nèi)部，則需要多個采集卡，每一臺計算機配一個采集卡。傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)時，需要同時向所有的采集卡發(fā)送數(shù)據(jù)，以此來保證主機和備用機都能接收到監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。

2)使用串口接收數(shù)據(jù)。可以使用一拖二的串口數(shù)據(jù)線，輸入端為單一接口，連接傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)。輸出端為2個接口，分別連接2臺計算機，以此來保證數(shù)據(jù)完整性。

3)使用PLC接收數(shù)據(jù)。PLC可以使用網(wǎng)線連接多臺計算機，通過網(wǎng)絡通訊協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)信息。只需要一個PLC就可連接多臺計算機。

在3種連接方案中，采集卡和串口連接的優(yōu)化主要靠提高設備硬件本身能力，PLC由于其使用網(wǎng)絡通訊協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)信息，可以在軟件層面對接收程序進行優(yōu)化設計。本文設計一種新的船舶軸系試驗臺架監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件，在接收監(jiān)測數(shù)據(jù)信息時，使用Netty網(wǎng)絡編程框架優(yōu)化網(wǎng)絡通訊，來減少計算機資源消耗率；在進行軟件異常情況處理和報警時，采用主機和備用機相互監(jiān)視的方法，獲取異常信息并處理，可以保證接收數(shù)據(jù)信息的完整性，并降低人工監(jiān)視難度。

2 方法設計

2.1 整體設計

為了解決船舶軸系試驗臺架監(jiān)測數(shù)據(jù)采集效率低、消耗高的問題，設計了一種船舶軸系試驗臺架監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化采集方法。該方法主要是使用PLC接收數(shù)據(jù)，以網(wǎng)絡通訊傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(TCP/IP)為基礎，利用Netty網(wǎng)絡編程框架中的非阻塞輸入/輸出(NIO)編程原理，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集軟件。其中包括監(jiān)測數(shù)據(jù)采集部分和異常報警處理部分。監(jiān)測數(shù)據(jù)采集部分主要是將數(shù)據(jù)采集程序設計為Netty網(wǎng)絡編程框架的服務端，減少每一個網(wǎng)絡響應的時間，提高計算機處理效率。異常報警處理部分需要使用Netty網(wǎng)絡編程框架的服務端和客戶端，能夠使用極少的計算機資源，就可以把采集軟件的運行狀態(tài)傳輸?shù)絺溆脵C上，進而判斷采集軟件運行狀態(tài)，有異常時會立刻使用備用機來進行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集并報警，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)優(yōu)化采集的整體設計流程圖見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)優(yōu)化采集的整體設計流程圖

2.2 網(wǎng)絡通訊TCP/IP協(xié)議

網(wǎng)絡通信是本文進行監(jiān)測數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)幕痉椒?，其利用相關接口和協(xié)議通過網(wǎng)絡線路傳輸數(shù)據(jù)信息到網(wǎng)絡計算機上，從而實現(xiàn)不同計算機的遠程信息交互。本文使用最廣泛的就是TCP/IP協(xié)議，以其來完成數(shù)據(jù)交互[2]。TCP/IP協(xié)議通常可以概括為4層：運用層、傳輸層、網(wǎng)絡層和網(wǎng)絡接口層。TCP/IP協(xié)議按照層次由上到下，層層包裝。最上面的是應用層，是直接為應用進程提供服務的，包括郵件傳輸應用使用的簡單郵件傳輸協(xié)議(SMTP)、萬維網(wǎng)應用使用的超文本傳輸協(xié)議(HTTP)、遠程登錄服務應用使用的遠程終端協(xié)議(TELNET)。應用層還能加密、解密、格式化數(shù)據(jù)。第二層是傳輸層，其中的傳輸控制協(xié)議(TCP)和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)就在這個層次，在整個協(xié)議中起到中流砥柱的作用。第三層是網(wǎng)絡層，網(wǎng)際互連協(xié)議(IP)就在這里，它負責對數(shù)據(jù)加上IP地址和其他的數(shù)據(jù)以確定傳輸?shù)哪繕?。第四層是網(wǎng)絡接口層，兼并了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，所以網(wǎng)絡接口層既是傳輸數(shù)據(jù)的物理媒介，也可以為網(wǎng)絡層提供一條準確無誤的線路[3]。

由于監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件需要進行長時間的運行，會使用較多的計算機資源。在使用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊時，有2種使用方式。

1)一直建立客戶端與服務端的網(wǎng)絡連接，進行數(shù)據(jù)信息傳輸。優(yōu)點是不需要頻繁地進行資源的創(chuàng)建和銷毀，缺點是程序大部分時間處在阻塞狀態(tài)中，增加系統(tǒng)負擔。

2)在需要數(shù)據(jù)傳輸時，再進行網(wǎng)絡連接。優(yōu)點是無信息發(fā)送時可節(jié)省計算機資源，缺點是需要進行頻繁的網(wǎng)絡連接創(chuàng)建和銷毀。

在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊中，每一個網(wǎng)絡連接都需要一個單獨的線程進行處理，因此會消耗較多的計算資源。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊方式的流程為套接字→讀/寫→線程。

服務端監(jiān)聽時接收(Accept)函數(shù)阻塞，有新連接時Accept函數(shù)會有返回，主線程才能繼續(xù)運行。讀寫套接字(Socket)時讀是阻塞的，只有接收到請求消息后，讀才能返回，子線程才能繼續(xù)處理；讀寫Socket時寫是阻塞的，只有客戶端接收消息后，寫才能返回，子線程才能繼續(xù)讀取下一個請求[4]。

無論使用以上哪種方式，都有一個嚴重的問題，從頭到尾都有線程處于阻塞狀態(tài)，會浪費計算資源，原因是由其輸入/輸出(I/O)模型決定的。傳統(tǒng)通訊方式的阻塞I/O模型示意圖見圖2。

圖2 傳統(tǒng)通訊方式的阻塞I/O模型示意圖

當用戶線程發(fā)出I/O請求后，會進行系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核就會去查看數(shù)據(jù)是否就緒，如果沒有，會等待數(shù)據(jù)就緒，從而使用戶線程處于阻塞狀態(tài)，用戶線程交出中央處理器(Central Processing Unit，CPU)。當數(shù)據(jù)就緒后，內(nèi)核會將數(shù)據(jù)拷貝到用戶線程，并返回結(jié)果給用戶線程，用戶線程才解除阻塞狀態(tài)。在內(nèi)核準備數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進程內(nèi)存地址的這2個過程中，都是阻塞的。

此種網(wǎng)絡通訊設計會占用較多計算資源，已經(jīng)不能滿足任務需求，需要對傳統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊方式進行優(yōu)化，以適應接收軟件對于快速低消耗的需求。

2.3 Netty網(wǎng)絡編程框架

Netty是一款基于NIO的網(wǎng)絡應用程序框架。Netty框架基于Reactor模型，根據(jù)自身的 I/O 模型和線程處理模式實現(xiàn)高性能的開發(fā)，其中 I/O 模型負責數(shù)據(jù)的輸入和輸出[5]。較傳統(tǒng)的通訊方式有了很大的提升。Netty框架的NIO模型見圖3。

圖3 Netty框架的NIO模型

Netty框架的NIO 模型由 I/O 復用模型改進而來，可并發(fā)進行多個連接的讀寫操作，提升了I/O線程的運行效率。使用Reactor單線程模型進行連接處理。Reactor線程是個多面手，負責多路分離套接字，運用“接收”函數(shù)新連接，并分配請求到處理器鏈中，Reactor線程模型圖如圖4所示。該模型適用于處理器鏈中業(yè)務處理組件能快速完成的場景。

圖4 Reactor線程模型圖

使用Netty網(wǎng)絡編程框架中的NIO模型，對客戶端和服務端進行優(yōu)化設計[6]。其優(yōu)點為：①使用NIO的零拷貝特性，在Netty接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時，會使用堆外直接內(nèi)存進行Socket讀寫，不需要進行字節(jié)緩沖區(qū)的二次拷貝，提高了傳輸速度；②使用內(nèi)存池，為了減少堆外直接內(nèi)存的分配和回收產(chǎn)生的資源損耗問題，可以在計算機資源較少的情況下仍能完成狀態(tài)信息傳輸?shù)娜蝿铡?/p>

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)軟件接收程序?qū)崿F(xiàn)流程

監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件主要是使用Netty網(wǎng)絡編程框架，提高對網(wǎng)絡連接的響應速度[7]。使用Netty的服務端作為監(jiān)測數(shù)據(jù)采集接收端，與PLC進行網(wǎng)絡通信，接收監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。主機和備用機的設計方法一樣。區(qū)別在于主機在任務開始時就進行數(shù)據(jù)接收操作，而備用機會在主機發(fā)生異常時，自動開始代替主機來進行數(shù)據(jù)接收操作。主機和備用機的接收程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 主機和備用機的接收程序?qū)崿F(xiàn)流程

使用Netty網(wǎng)絡編程框架可以在極短的時間內(nèi)完成主機和備用機的切換，所以主機和備用機的采集程序不需要同時運行，防止產(chǎn)生重復的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，且可以節(jié)省內(nèi)存資源，降低計算機負荷。

2.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件異常處理程序?qū)崿F(xiàn)流程

監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件異常處理程序的設計方法主要分3步來實現(xiàn)。

1)數(shù)據(jù)采集軟件的運行狀態(tài)獲取。設置一定的時間間隔，獲取到軟件的運行狀態(tài)信息。時間間隔可以以配置信息存在，方便操作人員修改。運行狀態(tài)信息設計為2種，運行正常和運行異常。正常情況下，運行狀態(tài)信息為正常，表示接收軟件運行正常。當出現(xiàn)接收軟件運行緩慢或者軟件異常退出或崩潰時，運行狀態(tài)信息則為異常。此外，還有一種特殊情況，就是操作系統(tǒng)因某些未知原因運行崩潰時，所有程序都會崩潰，也不會有運行狀態(tài)信息通過下一步的網(wǎng)絡通訊發(fā)送到備用機中。運行狀態(tài)信息獲取流程圖如圖6所示。獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件的運行狀態(tài)，發(fā)送到備用機中進行判斷。

圖6 運行狀態(tài)信息獲取流程圖

2)運行狀態(tài)信息的發(fā)送和獲取。使用2臺計算機進行網(wǎng)絡通訊，備用機可以通過網(wǎng)絡通訊來監(jiān)視主機采集軟件的運行狀態(tài)，以便備用機可以隨時接替主機繼續(xù)執(zhí)行采集任務。主機端設計為客戶端，備用機端設計為服務端，并采用Netty網(wǎng)絡編程框架，提高客戶端和服務的信息發(fā)送和接收能力，降低計算機資源使用率[8]。

3)狀態(tài)信息判斷及報警模塊。解析傳輸過來的數(shù)據(jù)信息，判斷出程序的運行狀態(tài)信息。運行狀態(tài)信息有2種，運行正常和運行異常。當運行狀態(tài)信息為運行異常時，程序會立即啟動備用機并發(fā)出報警，提示操作人員進行人工操作。還有在設置一定的時間間隔內(nèi)，沒有接收到客戶端發(fā)送過來的運行狀態(tài)信息時，則判斷為操作系統(tǒng)異常，也需要發(fā)出報警，提示操作人員進行人工操作。運行狀態(tài)信息判斷流程圖如圖7所示。接收到軟件的運行狀態(tài)信息，進行運行狀態(tài)判斷，正常則繼續(xù)接收，異常就立刻啟用備用機的監(jiān)測數(shù)據(jù)軟件接收程序，并進行報警，提醒操作人員。

圖7 運行狀態(tài)信息判斷流程圖

3 結(jié)束語

為了在船舶軸系試驗臺架的試驗過程中，保證長時間采集傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，并且降低對計算資源的使用率，設計了以網(wǎng)絡通訊TCP/IP協(xié)議為基礎，基于Netty網(wǎng)絡編程框架的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件優(yōu)化方法，并在實際的項目中成功運用。該方法只需要啟動軟件就可以自動采集監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。出現(xiàn)異常情況后，可以快速自動地完成主機和備用機的切換，極大地提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)接收的完整性，降低了人工操作的難度。經(jīng)過實際工程試驗臺架系統(tǒng)中的應用驗證，完全符合實際要求，可以推廣應用到類似的應用場景，具有一定的工程實用價值。