面向實時數據流的高效通信服務系統設計與實現

文/周麗麗 秦賀偉 趙時輪

1 引言

隨著信息系統規模的不斷擴大，信息系統間實時數據共享的數據量也在不斷上升，繼而對支撐信息系統運行的通信服務性能也提出了更高的要求。

本文提出了面向實時數據流的高效通信服務系統，作為信息交換的底層系統軟件，支持大型復雜信息系統網絡層的數據交互，能在高并發網絡環境下提供實時、高效的數據轉發服務，能夠有效解決通信服務系統面臨的并發訪問鏈接數量大、數據交換信息流量大等實時處理的關鍵問題，對相關信息系統的開發具有一定的參考意義。

2 設計與實現

2.1 系統框架

面向實時數據流的高效通信服務系統，在其實現形式上，是一個典型的CS軟件系統體系結構，由通信服務客戶端、通信服務端和管理端三部分組成，圖1給出了高效通信服務系統的主要組成。

通信服務客戶端部署于各應用系統，為其提供網絡通信能力。管理端是監控通信服務運行情況的管理程序。通信服務端的主要組成包括：

（1）邏輯管理層：由監控管理、主題管理和鏈接管理三個子模塊組成。監控管理模塊按照約定協議向管理端上報服務端狀態信息；主題管理負責域內客戶端的通信主題維護和通信主題匹配；鏈接管理用于維護服務端與客戶端之間的通信鏈接。

（2）數據管理層包括：由數據隊列管理、線程池管理和內存管理三個子模塊組成。數據管理層為邏輯管理層提供數據管理支撐。

（3）通信子層包括：將底層網絡通信接口進行封裝，對數據管理層提供高效的網絡數據傳輸支撐。

2.2 通信服務端設計

為保證通信服務端的實現性能，在Windows系統平臺下選擇完成端口（Completion Port）Socket I/O模型，以提升高速CPU和慢速I/O設備（網絡適配器）間的高效協調。

表1：實驗測試結果表(a)

表2：實驗測試結果表(b)

采用IOCP模型編寫服務程序主要包括兩種類型的線程：主線程和工作線程。主線程負責創建并監聽套接字，創建工作線程，等待并接受客戶端的連接，并將其關聯到IOCP等，而工作線程則負責等待并處理在IOCP 對象上完成的事件。

基于IOCP模型編寫的服務端工作流程如圖2所示。

（1）對網絡進行初始化，并設置Socket版本號；

（2）創建一個I/O完成端口，為完成端口分配套接字句柄，并對端口進行標識；

天上有兩三顆星星，林內幽暗，我們捉迷藏，吹竹葉，她還要我在竹梢上施展輕功奔跑……吃過飯，她找了塊地，說：“今晚就睡這。”

（3）準備好一個監聽套接字，并創建監聽線程，開始監聽網絡上客戶端的連接請求；

（4）創建工作線程池，當有客戶端請求連接時，主線程建立新的連接，為新連接的客戶端建立上下文信息，并將該客戶端套接字句柄關聯到完成端口，然后投遞一個異步的收發調用；

（5）工作線程循環獲取消息隊列狀態，從客戶上下文信息中獲取與Socket相關的上下文信息，判斷消息狀態，取得要操作的數據內容；

（6）主程序繼續下一個循環，等待新的客戶端連接；

（7）Windows操作系統內核完成收發操作，并將結果發送到完成端口；工作線程對數據進行處理，然后提交下一個操作請求，繼續下一次循環并阻塞獲取消息隊列狀態；

（8）重復步驟（5）至（7），直至服務端程序退出。

2.3 通信客戶端設計

公共接口類的主要接口包括：客戶端類和主題類。客戶端類主要接口內容為客戶端初始化、客戶端退出、與服務端建立連接、向通信服務發送數據和檢查客戶端狀態等。主題類主要接口內容為發布主題、取消主題、訂閱主題和取消訂閱主題。

圖1：系統組成示意圖

圖2：服務端工作流程圖

數據接口類主要接口內容為：設置接收對象、設置重連間隔、設置客戶端緩沖區大小、綁定客戶端地址和接收數據等。

3 應用評估

3.1 應用模式

面向實時數據流的高效通信服務系統，實現了數據發送端與數據接收端的松耦合關系，支持點對點傳輸和發布訂閱傳輸兩種傳輸模式，傳輸應用流程如圖4所示。

在點對點傳輸模式下，數據發送端發送的數據僅可被一個數據接收端處理。在發布訂閱傳輸模式下，一個客戶端應用發布數據，一個或多個客戶端應用訂閱數據；發布的數據副本會被與訂閱主題匹配的一個或多個訂閱應用收到，服務端基于主題將數據轉發至訂閱該主題的客戶端。

3.2 實驗與結果

實驗環境包括1臺運行通信服務端的服務器、5臺運行通信客戶端的計算機和1臺48口千兆交換機。其中服務器的配置為：處理器Intel(R) Core(TM) i7-4790 CPU @3.6GHZ*8，內存8G，雙千兆網卡，Window 7 專業版。實驗從客戶端接入數量、主題申請數量兩個維度，對數據吞吐量、數據轉發延遲和傳輸丟包率3項指標進行了分析測試，測試結果如表1和表2所示。

4 結束語

本文介紹了面向實時數據流的高效通信服務系統的設計和實現，能夠滿足高并發、大流量的實時數據通信，通過系統實現，簡化了應用客戶端通信實現和管理的難度，為信息系統間互聯提供了具備靈活性和擴展性特點的通信手段。經實驗驗證，系統運行高效、穩定，可為信息系統通信服務的設計實現提供借鑒。

圖3：通信客戶端類圖

圖4：數據傳輸應用流程圖