摘  要： 在C/S模式下，車載終端的并發(fā)接入量是檢驗GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器性能的重要因素。為了滿足大量終端的并發(fā)連接請求并快速響應(yīng)用戶操作，首先采用三層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計服務(wù)器，增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，實現(xiàn)模塊間高內(nèi)聚低耦合。其次對服務(wù)器接入模塊部分應(yīng)用IOCP模型進(jìn)行優(yōu)化，針對實際應(yīng)用中信息定位、多類型終端接入、資源優(yōu)化管理、數(shù)據(jù)正確性等問題，分別采取緩沖鏈表、內(nèi)存池以及分包策略等方法進(jìn)行有效解決。最后在實際應(yīng)用項目中進(jìn)行測試，實驗結(jié)果均表明優(yōu)化后的服務(wù)器性能和穩(wěn)定性具有明顯的改善。
關(guān)鍵詞： GPS車輛監(jiān)控；IOCP；線程池；內(nèi)存池

    近年隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市交通緊張的狀況不斷地加劇，為了實現(xiàn)有效的、科學(xué)的車輛信息管理，GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)需要將車載終端GPS數(shù)據(jù)包括當(dāng)前車輛的運(yùn)行狀況、位置信息和速度等接入服務(wù)器，并通過客戶端向用戶提供監(jiān)控服務(wù)[1]。該監(jiān)控系統(tǒng)主要由服務(wù)器、客戶端和GPS車載終端三部分組成[2]。
    其中，服務(wù)器部分是整個車輛監(jiān)控系統(tǒng)的核心，主要完成車輛GPS車載終端定位信息和報警信息的采集、處理、轉(zhuǎn)發(fā)，對客戶端軟件的指令快速響應(yīng)與處理以及實現(xiàn)平臺數(shù)據(jù)的管理，并且需要滿足7×24小時為大規(guī)模的GPS車載終端提供接入服務(wù)。然而由于終端連接數(shù)目龐大，使服務(wù)器程序負(fù)載量大，無法快速地響應(yīng)并處理海量終端的連接請求，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。本文設(shè)計了一種性能和穩(wěn)定性良好的服務(wù)器軟件平臺，采用三層體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)模塊高內(nèi)聚低耦合，并結(jié)合IOCP網(wǎng)絡(luò)通信模型來優(yōu)化服務(wù)端，快速響應(yīng)并處理海量車載終端的并發(fā)接入請求，在此基礎(chǔ)上改善系統(tǒng)資源的優(yōu)化管理，從而有效提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。
1 服務(wù)器設(shè)計
1.1 服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)
    本文設(shè)計的服務(wù)器采用三層體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示，分為數(shù)據(jù)接入層、處理分析層和業(yè)務(wù)服務(wù)層，目的是實現(xiàn)交通信息接入規(guī)范化、功能模塊化、系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)和模塊間高內(nèi)聚低耦合化等特點；并且在不影響業(yè)務(wù)正常運(yùn)行情況下，各個模塊可獨(dú)立升級，符合定位業(yè)務(wù)不斷發(fā)展的需求。

    數(shù)據(jù)接入層通過各種數(shù)據(jù)接入與轉(zhuǎn)換手段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入，具體通過Socket接口由車載終端連接到設(shè)備接入服務(wù)，實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信，并在接入服務(wù)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一，數(shù)據(jù)最后在網(wǎng)關(guān)進(jìn)行匯總。
    處理分析層實現(xiàn)模塊化的統(tǒng)一處理，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。不同類型的終端信息在經(jīng)過數(shù)據(jù)接入層的處理后，由處理分析程序進(jìn)行加工，實現(xiàn)業(yè)務(wù)功能。同時處理分析層也處理從用戶端發(fā)送的業(yè)務(wù)請求，并將其通過終端操作完成后返回。
    業(yè)務(wù)服務(wù)層基于處理分析層的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，以及數(shù)據(jù)接入層采集并保存在數(shù)據(jù)庫中的原始數(shù)據(jù)，向用戶提供顯示的平臺業(yè)務(wù)功能。服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2 總體邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　服務(wù)器部分主要由設(shè)備接入服務(wù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、GPS信息服務(wù)、命令服務(wù)、業(yè)務(wù)信息服務(wù)和數(shù)據(jù)處理應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等模塊共同組成。其邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

2 設(shè)備接入服務(wù)模塊
    在服務(wù)器設(shè)計過程中，設(shè)備接入服務(wù)模塊需要快速響應(yīng)和處理高并發(fā)終端的連接請求，設(shè)備接入服務(wù)模塊設(shè)計的優(yōu)劣直接影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，本節(jié)針對該模塊的網(wǎng)絡(luò)通信模型進(jìn)行了優(yōu)化，通過完成端口（IOCP）通信模型設(shè)計并實現(xiàn)海量終端的連接請求，并通過優(yōu)化系統(tǒng)資源管理使性能得到提高。
2.1 IOCP機(jī)理
    IOCP(Input Output Completion Port)也稱完成端口，是微軟提供的一種高效異步I/O通信模型。它摒棄了普通通信模型在接收到一個客戶端連接請求時就對應(yīng)地創(chuàng)建一個線程來應(yīng)答，而是通過創(chuàng)建一定數(shù)量的工作線程，對重疊I/O操作完成處理[3-6]。
    實際上，將完成端口看作系統(tǒng)維護(hù)的一個消息隊列，系統(tǒng)將所有用戶的I/O請求都放入該消息隊列中，并且從起先創(chuàng)建好的一定數(shù)量的工作線程中喚醒某一個線程來從I/O完成隊列中取出消息，完成數(shù)據(jù)的處理。
2.2 線程管理
    由于數(shù)據(jù)收發(fā)的處理對系統(tǒng)資源和處理器時間的消耗極為巨大，而本文所采用的完成端口通過使用線程池技術(shù)對所創(chuàng)建的線程進(jìn)行有效的管理，從而較好地解決并發(fā)用戶連接的請求以及并發(fā)處理數(shù)據(jù)。一般系統(tǒng)線程池中工作線程可以歸納為3種狀態(tài)：運(yùn)行中的狀態(tài)、被掛起的狀態(tài)以及在完成端口上等待的狀態(tài)[7]。
    默認(rèn)情況下，線程池中的所創(chuàng)建的線程數(shù)目等于CPU的數(shù)目，但是一旦線程處于被掛起狀態(tài)，CPU就會處于空閑的狀態(tài)。因此定義線程數(shù)目對系統(tǒng)效率也有很大的影響。然而過多數(shù)目的線程不一定換來系統(tǒng)的高處理能力，因為如果過多的線程并行運(yùn)行在操作系統(tǒng)中，那么任何一個線程都有可能獲得時間運(yùn)行分片，使得CPU疲于線程之間的上下文切換，造成CPU時間浪費(fèi)，從而降低系統(tǒng)的處理能力。而根據(jù)實際應(yīng)用的效果，可以得出合理的工作線程的數(shù)目=CPU的個數(shù)×2+2。
2.3 GPS車載終端接入管理
2.3.1 監(jiān)聽優(yōu)化管理
    對于終端接入的管理，主要采用緩沖鏈表策略處理。當(dāng)終端連接上系統(tǒng)，先將其插入到緩沖鏈表中，然后對此鏈表中終端進(jìn)行2 min的判斷。若2 min內(nèi)終端連接并且發(fā)送數(shù)據(jù)，就將其從緩沖鏈表中刪除；若終端連接卻不發(fā)送數(shù)據(jù)，就將其連接斷開，目的是用來防止長時間連接的Socket不發(fā)數(shù)據(jù)卻一直霸占著系統(tǒng)資源，造成資源浪費(fèi)。
2.3.2 多類型車載終端的接入管理
    由于各地GPS車載終端廠商不一樣，導(dǎo)致設(shè)備終端的生產(chǎn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)各異。在實際應(yīng)用中，需要在設(shè)備接入模塊中考慮解決多類型的車載終端接入問題，本文在設(shè)計接入模塊時，為每一種類型的終端建立一個對應(yīng)的協(xié)議類，并且為每一類型的終端建立單獨(dú)的監(jiān)聽端口。在監(jiān)聽之前事先根據(jù)端口進(jìn)行注冊協(xié)議，即將協(xié)議與監(jiān)聽端口相綁定，當(dāng)終端接入時，根據(jù)Socket所連接的端口映射到對應(yīng)的協(xié)議解析類中進(jìn)行解析。如果有新類型的GPS車載終端，就對應(yīng)的構(gòu)造一個對應(yīng)的協(xié)議解析類，這樣不僅增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，也解決了車載終端設(shè)備多樣化的問題。
2.4 內(nèi)存資源優(yōu)化管理
    作為設(shè)備接入服務(wù)端的開發(fā)，合理地管理內(nèi)存是一個極其重要的問題。在處理數(shù)據(jù)的過程中，必定不斷地進(jìn)行內(nèi)存申請和釋放的操作。由于系統(tǒng)的資源有限，如果頻繁對內(nèi)存進(jìn)行new和delete，勢必造成系統(tǒng)堆棧變得雜亂無序，產(chǎn)生很多內(nèi)存碎片，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，降低性能。在此本文采取內(nèi)存池的方法來解決，首先根據(jù)實際應(yīng)用需求，事先創(chuàng)建好一定數(shù)量的單IO操作數(shù)據(jù)塊，并將其一并放入到一個空閑鏈表中。當(dāng)需要進(jìn)行單IO操作數(shù)據(jù)空間的申請時，就從空閑鏈表檢查是否有滿足的空間，若滿足，則分出一部分內(nèi)存空間進(jìn)行使用；若不滿足，則繼續(xù)申請新的內(nèi)存空間。當(dāng)使用完這個單IO操作數(shù)據(jù)空間時，并非直接銷毀掉，而是將其保存到空閑鏈表中，供下次使用。這樣就會消除因為頻繁申請和釋放內(nèi)存帶來的碎片，減少了系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，使系統(tǒng)性能得到提高。
2.5 數(shù)據(jù)處理
    在開發(fā)接入模塊時，傳輸層通信的協(xié)議采用TCP協(xié)議。由于TCP字節(jié)流的特性以及網(wǎng)絡(luò)狀況，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時可能出現(xiàn)TCP粘包現(xiàn)象。假設(shè)接收端接收數(shù)據(jù)時，可能出現(xiàn)圖3所示的4種情況，白色表示Package1，黑色表示Package2。

    第一種情況是所需要的。而后3種情況屬于TCP粘包現(xiàn)象，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包，拆成如第一種情況一樣的獨(dú)立的數(shù)據(jù)包。
    針對以上現(xiàn)象給出分包算法。假設(shè)接收到的數(shù)據(jù)長度為N，首先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成自定義的結(jié)構(gòu)體形式，并獲取結(jié)構(gòu)體中數(shù)據(jù)長度字段的值L進(jìn)行對比判斷。
    (1)如果L<N，則說明所接收到的數(shù)據(jù)是多包數(shù)據(jù)，按照長度字段的值截取L字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而后繼續(xù)按照如此做法截取，直至結(jié)束；
    (2)如果L=N，則說明所接收到的數(shù)據(jù)是一個完整的數(shù)據(jù)包大小，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；
    (3)如果L>N，則說明所接收到的數(shù)據(jù)不足一個數(shù)據(jù)包大小，存進(jìn)臨時緩沖區(qū)中，等待接收下一個數(shù)據(jù)包進(jìn)行合并后再進(jìn)行判斷。
    通過分包算法能很好地解決TCP粘包的現(xiàn)象，并正確執(zhí)行數(shù)據(jù)處理。
3 實驗結(jié)果與分析
    針對設(shè)備接入服務(wù)模塊的性能測試，本文主要從最大可支持終端的連接數(shù)目、車載終端饑餓數(shù)目（在指定時間內(nèi)無法得到設(shè)備接入服務(wù)模塊響應(yīng)的終端數(shù)目）、系統(tǒng)CPU和內(nèi)存使用情況等4個方面來測試。為了更好地驗證本文應(yīng)用IOCP模型對終端響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化的效果，在測試階段實現(xiàn)了基于線程模型的性能對比測試。
3.1 實驗環(huán)境
    使用5臺處于同一個局域網(wǎng)的臺式機(jī)，其中接入模塊所在的主機(jī)配置為：Intel I3 雙核處理器，主頻2.66 GHz，2 GB內(nèi)存。另外4臺客戶機(jī)配置為：Intel Pentium雙核處理器，主頻2.20 GHz，1 GB內(nèi)存。每臺客戶機(jī)上運(yùn)行一個模擬車載終端程序，能創(chuàng)建5 000個Socket連接模擬實際GPS車載終端的連接情況。
3.2 實驗結(jié)果分析
    通過實驗驗證，可以得出基于IOCP模型的設(shè)備接入服務(wù)模塊最大可支持終端的連接數(shù)目可達(dá)20 000個。從圖4(a)可以明顯看出，隨著終端數(shù)目的增加，即隨著Socket連接數(shù)的增多，基于線程模型的服務(wù)端饑餓的終端數(shù)量也隨之增多，而基于IOCP模型的服務(wù)端沒有出現(xiàn)終端連接請求得不到響應(yīng)的情況。
    圖4(b)、圖4(c)為基于IOCP模型接入模塊的系統(tǒng)資源消耗情況。可以看出，雖然剛啟動程序，內(nèi)存資源就消耗了100 MB，但隨著終端數(shù)目的增加，CPU和內(nèi)存的消耗情況并沒有隨之而快速增長，而是緩慢地增長，因此可以得出基于IOCP模型的設(shè)備接入服務(wù)模塊具有良好的伸縮性能。

    基于上述設(shè)備接入服務(wù)模塊實現(xiàn)了GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)已在福州某出租車公司接近500輛車在線運(yùn)營監(jiān)控管理應(yīng)用。在實際運(yùn)行過程中，系統(tǒng)都能快速、及時地響應(yīng)GPS車載終端的接入請求，并且呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和性能。
    針對需要快速響應(yīng)并處理高并發(fā)量的GPS車載終端的連接請求，本文對GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器進(jìn)行優(yōu)化。一方面本文優(yōu)化服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計，將服務(wù)器結(jié)構(gòu)劃分成三個層次，避免單個服務(wù)器程序壓力太大，實現(xiàn)高內(nèi)聚低耦合。另一方面結(jié)合IOCP通信模型對設(shè)備接入服務(wù)模塊進(jìn)行性能優(yōu)化。通過采用線程池、內(nèi)存池等方法較好地解決海量終端并發(fā)接入請求、信息定位和資源浪費(fèi)等問題。其次，采用緩沖鏈表對終端接入進(jìn)行監(jiān)聽優(yōu)化，避免惡意連接消耗系統(tǒng)資源。對多類型的終端協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一管理，解決多類型終端接入問題。最后，為了確保數(shù)據(jù)的正確性，在報文數(shù)據(jù)處理部分結(jié)合分包策略使得TCP粘包現(xiàn)象得到有效解決。另外，經(jīng)過實際項目的應(yīng)用，表明該服務(wù)器具有較好的性能和穩(wěn)定性。
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