面向实时数据流的高效通信服务系统设计与实现

文/周丽丽 秦贺伟 赵时轮

1 引言

随着信息系统规模的不断扩大，信息系统间实时数据共享的数据量也在不断上升，继而对支撑信息系统运行的通信服务性能也提出了更高的要求。

本文提出了面向实时数据流的高效通信服务系统，作为信息交换的底层系统软件，支持大型复杂信息系统网络层的数据交互，能在高并发网络环境下提供实时、高效的数据转发服务，能够有效解决通信服务系统面临的并发访问链接数量大、数据交换信息流量大等实时处理的关键问题，对相关信息系统的开发具有一定的参考意义。

2 设计与实现

2.1 系统框架

面向实时数据流的高效通信服务系统，在其实现形式上，是一个典型的CS软件系统体系结构，由通信服务客户端、通信服务端和管理端三部分组成，图1给出了高效通信服务系统的主要组成。

通信服务客户端部署于各应用系统，为其提供网络通信能力。管理端是监控通信服务运行情况的管理程序。通信服务端的主要组成包括：

（1）逻辑管理层：由监控管理、主题管理和链接管理三个子模块组成。监控管理模块按照约定协议向管理端上报服务端状态信息；主题管理负责域内客户端的通信主题维护和通信主题匹配；链接管理用于维护服务端与客户端之间的通信链接。

（2）数据管理层包括：由数据队列管理、线程池管理和内存管理三个子模块组成。数据管理层为逻辑管理层提供数据管理支撑。

（3）通信子层包括：将底层网络通信接口进行封装，对数据管理层提供高效的网络数据传输支撑。

2.2 通信服务端设计

为保证通信服务端的实现性能，在Windows系统平台下选择完成端口（Completion Port）Socket I/O模型，以提升高速CPU和慢速I/O设备（网络适配器）间的高效协调。

表1：实验测试结果表(a)

表2：实验测试结果表(b)

采用IOCP模型编写服务程序主要包括两种类型的线程：主线程和工作线程。主线程负责创建并监听套接字，创建工作线程，等待并接受客户端的连接，并将其关联到IOCP等，而工作线程则负责等待并处理在IOCP 对象上完成的事件。

基于IOCP模型编写的服务端工作流程如图2所示。

（1）对网络进行初始化，并设置Socket版本号；

（2）创建一个I/O完成端口，为完成端口分配套接字句柄，并对端口进行标识；

天上有两三颗星星，林内幽暗，我们捉迷藏，吹竹叶，她还要我在竹梢上施展轻功奔跑……吃过饭，她找了块地，说：“今晚就睡这。”

（3）准备好一个监听套接字，并创建监听线程，开始监听网络上客户端的连接请求；

（4）创建工作线程池，当有客户端请求连接时，主线程建立新的连接，为新连接的客户端建立上下文信息，并将该客户端套接字句柄关联到完成端口，然后投递一个异步的收发调用；

（5）工作线程循环获取消息队列状态，从客户上下文信息中获取与Socket相关的上下文信息，判断消息状态，取得要操作的数据内容；

（6）主程序继续下一个循环，等待新的客户端连接；

（7）Windows操作系统内核完成收发操作，并将结果发送到完成端口；工作线程对数据进行处理，然后提交下一个操作请求，继续下一次循环并阻塞获取消息队列状态；

（8）重复步骤（5）至（7），直至服务端程序退出。

2.3 通信客户端设计

公共接口类的主要接口包括：客户端类和主题类。客户端类主要接口内容为客户端初始化、客户端退出、与服务端建立连接、向通信服务发送数据和检查客户端状态等。主题类主要接口内容为发布主题、取消主题、订阅主题和取消订阅主题。

图1：系统组成示意图

图2：服务端工作流程图

数据接口类主要接口内容为：设置接收对象、设置重连间隔、设置客户端缓冲区大小、绑定客户端地址和接收数据等。

3 应用评估

3.1 应用模式

面向实时数据流的高效通信服务系统，实现了数据发送端与数据接收端的松耦合关系，支持点对点传输和发布订阅传输两种传输模式，传输应用流程如图4所示。

在点对点传输模式下，数据发送端发送的数据仅可被一个数据接收端处理。在发布订阅传输模式下，一个客户端应用发布数据，一个或多个客户端应用订阅数据；发布的数据副本会被与订阅主题匹配的一个或多个订阅应用收到，服务端基于主题将数据转发至订阅该主题的客户端。

3.2 实验与结果

实验环境包括1台运行通信服务端的服务器、5台运行通信客户端的计算机和1台48口千兆交换机。其中服务器的配置为：处理器Intel(R) Core(TM) i7-4790 CPU @3.6GHZ*8，内存8G，双千兆网卡，Window 7 专业版。实验从客户端接入数量、主题申请数量两个维度，对数据吞吐量、数据转发延迟和传输丢包率3项指标进行了分析测试，测试结果如表1和表2所示。

4 结束语

本文介绍了面向实时数据流的高效通信服务系统的设计和实现，能够满足高并发、大流量的实时数据通信，通过系统实现，简化了应用客户端通信实现和管理的难度，为信息系统间互联提供了具备灵活性和扩展性特点的通信手段。经实验验证，系统运行高效、稳定，可为信息系统通信服务的设计实现提供借鉴。

图3：通信客户端类图

图4：数据传输应用流程图