劉 飛，王瑞光，陳 偉

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 引 言

LED（Light Emitting Diode）顯示屏作為一種顯示設(shè)備，具有色域廣、顯示面積大和使用壽命長等優(yōu)點，在許多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用［1－3］。異步LED顯示屏（下文簡稱異步屏或屏幕終端）是相對于同步顯示屏而言，同步顯示屏的顯示內(nèi)容是通過高速數(shù)據(jù)傳輸將計算機屏幕內(nèi)容的一部分直接映射到顯示屏上，而異步屏則是通過在結(jié)構(gòu)內(nèi)部嵌入工控計算機如RISC嵌入式系統(tǒng)對屏幕顯示的內(nèi)容進行獨立控制，用戶可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)或者移動存儲設(shè)備對顯示內(nèi)容進行更新，因此廣泛應(yīng)用于分散布置的顯示屏，如廣告屏、交通誘導(dǎo)屏、車載屏等［4－5］。目前國內(nèi)異步屏控制系統(tǒng)大多采用RS485總線和局域網(wǎng)作為通信媒介，上位機通過串口或以太網(wǎng)網(wǎng)口控制異步屏更新數(shù)據(jù)和屏幕顯示。隨著異步屏應(yīng)用越來越廣泛，每個單位可擁有多達上百個屏幕終端，且分布范圍具有跨城市、跨地域等特點，如高速公路情報板和氣象預(yù)警屏。同時3G／4G無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，也加速了異步屏分布式應(yīng)用的需求，使用小范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境或者局域網(wǎng)技術(shù)的控制系統(tǒng)，在處理大數(shù)量顯示屏跨地域分布布線，以及系統(tǒng)的維護等問題上已經(jīng)無法滿足大多數(shù)用戶的需求。

本文基于目前互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行系統(tǒng)設(shè)計，充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)運營商提供的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，如基站信號的廣泛覆蓋，寬帶在全國各地的普及等。區(qū)別于國內(nèi)大多數(shù)顯示屏控制系統(tǒng)按照點對點或一對多的局域網(wǎng)控制模式，提出一種多對多的異步屏控制模式。通過搭建具有獨立域名的中間服務(wù)器實現(xiàn)多屏幕和多客戶管理、媒體文件暫存、用戶屏幕之間數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)等功能，使得能連入互聯(lián)網(wǎng)的異步屏和用戶可以隨時隨地進行實時監(jiān)控和內(nèi)容更新，更大程度地降低了通信線路布線成本和使用靈活性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

圖1為本文提出的異步LED顯示屏集群管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，分為4個部分：數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器，媒體服務(wù)器，屏幕終端，客戶端。

圖1 異步LED顯示屏集群管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Framework of asynchronous LED display centralized management system

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器是一臺具有獨立域名或者廣域網(wǎng)IP地址的主機，安裝Linux操作系統(tǒng)服務(wù)器版本。本文設(shè)計的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)軟件基于Linux環(huán)境運行，同時監(jiān)聽多個端口來接收并維持當(dāng)前登錄用戶和已注冊的屏幕終端的TCP連接。服務(wù)器軟件維護了全部的客戶公司、用戶、屏幕及其關(guān)聯(lián)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，對于關(guān)聯(lián)的用戶和屏幕之間的消息可以進行實時透明的轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器具有連接數(shù)量多，單個連接數(shù)據(jù)通信量小、頻率低等特點，適合用戶對屏幕的實時監(jiān)控，圖文類型屏幕的節(jié)目實時發(fā)布。但是對于多個屏幕的大數(shù)據(jù)量傳輸沒有優(yōu)勢，如視頻類顯示內(nèi)容的更新等，這種情況下，需要使用到媒體服務(wù)器。

媒體服務(wù)器與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器一樣具有獨立域名，主要用于存儲和傳輸大容量節(jié)目文件。本文基于搭建FTP服務(wù)器實現(xiàn)媒體服務(wù)器功能。用戶可以通過本地節(jié)目制作軟件編輯節(jié)目，將節(jié)目及素材按照特定的組織方式存儲于媒體服務(wù)器上。用戶準備好待播放的節(jié)目與素材后，通過數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器實時向屏幕終端發(fā)送更新播放節(jié)目內(nèi)容的指令，屏幕終端轉(zhuǎn)向媒體服務(wù)器請求媒體播放內(nèi)容。媒體服務(wù)器的特點是只提供媒體內(nèi)容相關(guān)的服務(wù)，如文件下載和上傳。

屏幕終端由ARM嵌入式系統(tǒng)、屏幕掃描控制系統(tǒng)和屏幕驅(qū)動板構(gòu)成，并借助于Linux操作系統(tǒng)強大的網(wǎng)絡(luò)功能，為終端提供3G無線網(wǎng)絡(luò)通信、10／100M自適應(yīng)以太網(wǎng)通信、RS485串行接口通訊等多種通信方式［6－8］。屏幕終端軟件運行于該系統(tǒng)之上，主動連接數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器，并長久保持網(wǎng)絡(luò)連接，從而可以使用戶對屏幕終端狀態(tài)實時進行監(jiān)控。

客戶端包括PC客戶端和移動客戶端，必須工作在可以連入互聯(lián)網(wǎng)的硬件環(huán)境，在設(shè)定數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器域名和端口后，主動連接中轉(zhuǎn)服務(wù)器。用戶需要輸入鑒權(quán)密鑰后登錄進服務(wù)器，登錄后可以對所轄屏幕終端的進行狀態(tài)監(jiān)控和節(jié)目更新等實時操作。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建模

為了設(shè)計一種能跨地域支持多個客戶公司（多個項目）、多個用戶、多塊異步屏的管理系統(tǒng)，本文根據(jù)實際需求建立一種了較為完備的關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型。

圖2 關(guān)系數(shù)據(jù)庫Fig.2 Relational database

通過仔細分析系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中各種信息和操作要求，明確所需數(shù)據(jù)類型及其屬性，最終確定了數(shù)據(jù)庫需要維護的四張關(guān)系表，分別為終端設(shè)備表、用戶表、公司表和管理表［9］。圖2是利用OSA（Open System Architect）數(shù)據(jù)庫建模工具搭建的數(shù)據(jù)庫模型簡化示意圖。一個公司（或者項目）可以擁有多個用戶和多個屏幕終端，一個用戶可以管理多塊屏幕，一塊屏幕又可以被多個用戶同時管理。該數(shù)據(jù)庫模型能夠較好滿足多業(yè)務(wù)多屏幕多用戶的系統(tǒng)管理模式。（圖中的“pi”代表該表的主鍵）

2.3 分層通信協(xié)議設(shè)計

考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院陀行蛐?，本文的?shù)據(jù)通信以TCP協(xié)議為基礎(chǔ)。同時，為了解決基于TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)流同步問題以及處理多個用戶、多個事務(wù)，多個連接，多個層次的消息數(shù)據(jù)包等問題，本文設(shè)計了一種基于TCP協(xié)議之上的分層通信協(xié)議。各層采用統(tǒng)一的接口就可以實現(xiàn)層次之間的通信，進而可以對各層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)獨立設(shè)計，更加易于協(xié)議的維護和實現(xiàn)［10］。協(xié)議主要分3層：收發(fā)層，會話層和業(yè)務(wù)層。

收發(fā)層對上層數(shù)據(jù)包加入了幀標識和幀長度標志標量，用以解決TCP協(xié)議流式傳輸?shù)膸絾栴}和非法連接請求。分發(fā)層包頭定義了上層數(shù)據(jù)包類型和用戶登錄ID，區(qū)分不同的用戶以及不同類型的協(xié)議數(shù)據(jù)包，從而將數(shù)據(jù)包準確的分發(fā)到對應(yīng)的用戶或相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模塊。業(yè)務(wù)層數(shù)據(jù)包包括登錄數(shù)據(jù)包、服務(wù)器管理數(shù)據(jù)包和終端數(shù)據(jù)包，分別用來封裝用戶登錄與注銷，對服務(wù)器數(shù)據(jù)庫管理和終端操作詳細協(xié)議數(shù)據(jù)內(nèi)容。各層協(xié)議數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及三種業(yè)務(wù)層數(shù)據(jù)包的簡略結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 協(xié)議分層示意圖Fig.3 Protocol layering

3 系統(tǒng)各部分設(shè)計與實現(xiàn)

相對于傳統(tǒng)基于局域網(wǎng)技術(shù)的多異步屏幕管理系統(tǒng)，本文提出的基于互聯(lián)網(wǎng)的集群管理系統(tǒng)最本質(zhì)的區(qū)別在于引入了數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器是維系多用戶和多屏幕的樞紐，是整個系統(tǒng)架構(gòu)的集中體現(xiàn)，本文將著重描述中轉(zhuǎn)服務(wù)器部分的詳細設(shè)計與實現(xiàn)，客戶端軟件和異步屏幕終端軟件只給出一般性的軟件框架說明，因為本文設(shè)計的系統(tǒng)是一種開放式的集群管理平臺，針對不同的客戶公司和項目需求，可以定制出多種完全不同的軟件版本。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計目標與實現(xiàn)方法概述

本系統(tǒng)設(shè)計重點在于在多對多模式下中轉(zhuǎn)服務(wù)器具備高并發(fā)響應(yīng)速度和帶載能力。

本文采用C＋＋語言進行開發(fā)，兼具了高效性和面向?qū)ο笤O(shè)計方法的優(yōu)勢。同時采用了大量跨平臺的開源軟件庫，如Boost、SQLite、QT等。

客戶端、異步終端、中轉(zhuǎn)服務(wù)器三部分的網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)代碼基于Boost.Asio開發(fā)。Asio庫基于操作系統(tǒng)提供的異步機制，采用前攝器設(shè)計模式實現(xiàn)了可移植的異步IO操作，并且異步模式下可以最大化避免使用多線程和互斥鎖，減小同步模式下多線程編程帶來的諸多有害副作用（如條件競爭、死鎖、線程切換開銷等）［11］。

數(shù)據(jù)庫部分采用SQLite數(shù)據(jù)庫。SQLite是一個自包含、無服務(wù)器、零配置、事物支持的進程內(nèi)數(shù)據(jù)庫引擎，也是一款開源輕型，占用資源低，跨平臺的數(shù)據(jù)庫［12］。

3.2 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器詳細設(shè)計與實現(xiàn)

軟件架構(gòu)整體從下到上分3個層次：網(wǎng)絡(luò)通信、消息處理、數(shù)據(jù)庫操作。結(jié)合2.3給出的通信協(xié)議層次，網(wǎng)絡(luò)通信部分實現(xiàn)了收發(fā)層和分發(fā)層的功能，消息處理部分則對應(yīng)業(yè)務(wù)層。數(shù)據(jù)庫部分則是對2.2描述的關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型的具體實現(xiàn)。圖4為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器各類的簡化示意圖。

圖4 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器類簡化示意圖Fig.4 Schematic diagram of data transfer server class

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)通信部分

對于中轉(zhuǎn)服務(wù)器而言網(wǎng)絡(luò)通信部分是系統(tǒng)帶載能力、數(shù)據(jù)響應(yīng)性能的基礎(chǔ)。關(guān)鍵技術(shù)在于大量連接的維持和數(shù)據(jù)并發(fā)處理能力。本文從3個方面對此進行優(yōu)化設(shè)計：

（1）異步模式與線程池并用，零延遲操作同時能夠合理化利用多核CPU資源。

（2）使用棧緩沖及緩沖池實現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)零拷貝和最小化堆內(nèi)存申請釋放開銷。

（3）多用戶、多屏幕終端的快速映射查找，最小化數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)的延遲。

網(wǎng)絡(luò)通信部分完全采用Boost.Asio的異步通信模式，同時為更好發(fā)揮硬件多CPU核心并行處理能力，本設(shè)計采用異步IO模式結(jié)合線程池的方法進一步提高應(yīng)用程序的運行效率［13］。

線程池類基于Asio的io＿sevice類和boost：：thread類封裝而成。線程池的個數(shù)取決于CPU個數(shù)，一般而言異步通信模式下線程數(shù)目不應(yīng)超過CPU核心數(shù)量的3倍。

為了更高效地完成數(shù)據(jù)通信中的協(xié)議解析和打包，本文設(shè)計了協(xié)議棧緩沖類，將網(wǎng)絡(luò)通信中的數(shù)據(jù)緩沖進行了封裝，提供簡潔的數(shù)據(jù)包封裝和解析功能?；緦崿F(xiàn)原理是采用指針對同一緩沖數(shù)據(jù)的指針地址作增減移動來添加和去除數(shù)據(jù)包頭，避免了協(xié)議數(shù)據(jù)在不同層次中傳遞時復(fù)制引起的性能開銷。另外本文實現(xiàn)了棧緩沖池類在進程空間回收和再分配引用計數(shù)為0的棧緩沖實例，避免了頻繁的進行系統(tǒng)調(diào)用分配堆內(nèi)存，提高內(nèi)存分配性能。

TCP服務(wù)器異步監(jiān)聽TCP端口，收到的連接生成新的收發(fā)器實例，收發(fā)器類即是對分層協(xié)議中收發(fā)層的實現(xiàn)，工作在TCP協(xié)議層之上，為其上層（會話類）提供數(shù)據(jù)幀的正確傳輸。其提供的函數(shù)接口主要包括封裝上層發(fā)送數(shù)據(jù)包和解析處理收到的幀。會話類依賴收發(fā)器進行數(shù)據(jù)傳輸，但是只處理上層協(xié)議的拆裝，不再關(guān)心收發(fā)的細節(jié)。

大量的連接導(dǎo)致大量的會話實例，而不同的登錄用戶會話與終端會話中間需要建立快速的“尋址”通路，用戶登錄后，客戶端連接的會話會帶有唯一的登錄ID標識，設(shè)備注冊后，異步終端的會話也會具有唯一的設(shè)備ID標識。會話管理器中通過使用ID標識到會話實例的map映射，來實現(xiàn)算法復(fù)雜度O（1）的快速查找。

3.2.2 消息處理與數(shù)據(jù)庫訪問

消息處理部分根據(jù)功能被設(shè)計成三個類：登錄管理器、數(shù)據(jù)庫管理器、終端管理器，分別實現(xiàn)客戶登陸與注銷，服務(wù)器數(shù)據(jù)庫管理和用戶—終端消息透明轉(zhuǎn)發(fā)，除了消息透明轉(zhuǎn)發(fā)，其余功能均需要訪問數(shù)據(jù)庫來完成。

由于數(shù)據(jù)庫訪問，尤其是寫操作時間延遲較大，修改較大信息量時通常能達到秒級，軟件所有的線程又均采用異步非阻塞方式設(shè)計，因此，數(shù)據(jù)庫部分設(shè)計為異步隊列方式。需要訪問數(shù)據(jù)庫的事務(wù)根據(jù)所需要的參數(shù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫訪問項類（DBCmdItem）的子類實例，提交到異步隊列中立即返回，數(shù)據(jù)庫訪問處理器類內(nèi)部維護了一個獨立線程來處理隊列中所有掛起的數(shù)據(jù)庫訪問項，完成后通過回調(diào)方式通知事務(wù)處理模塊，完全避免了數(shù)據(jù)庫延遲導(dǎo)致的異步操作響應(yīng)不及時的問題。數(shù)據(jù)庫訪問項類是一個抽象類（定義），所有的數(shù)據(jù)庫操作都定義成統(tǒng)一虛接口，簡化并統(tǒng)一了數(shù)據(jù)庫訪問處理器線程的處理流程。

3.2.3 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器性能測試

本文基于100Mbps的局域網(wǎng)環(huán)境對系統(tǒng)進行了模擬測試。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器運行Linux系統(tǒng)Ubuntu 10.04版本之上，客戶端軟件的硬件環(huán)境為Intel i3－2120CPU，主頻3.3GHz，內(nèi)存為4G的PC機，屏幕終端通過PC機多個進程來模擬。首先啟動數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器軟件為客戶端和終端分別開啟10個端口，每個端口最多可連接100個TCP連接，服務(wù)器使用一個具有600個屏幕終端，200個用戶，10個公司的數(shù)據(jù)庫測試模型，同時連接200個客戶端和600個模擬終端，測試結(jié)果見表1。

表1 測試結(jié)果Tab.1 Testing results

從表1可以看出，系統(tǒng)在短時間內(nèi)成功處理大量的并發(fā)連接請求，具有較高的數(shù)據(jù)吞吐量和良好的穩(wěn)定性。

3.3 客戶端和異步終端的軟件設(shè)計

在本文的設(shè)計中，客戶端軟件與異步終端軟件是可以多樣化的，是業(yè)務(wù)相關(guān)的，兩個不同業(yè)務(wù)會有不同的客戶端軟件和軟件。同時這些差異化的客戶端和終端軟件在管理結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議上又必須符合上述的設(shè)計。這使得本系統(tǒng)具備了多項目擴展能力，在本質(zhì)上區(qū)別于其他異步屏幕管理系統(tǒng)。

為了能快速為客戶定制新的客戶端和終端軟件，最大化的代碼重用和低耦合的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計是必不可少的。圖5和圖6分別為客戶端軟件和異步終端軟件的基本結(jié)構(gòu)。

圖5 客戶端軟件基本結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Basic structure of the client software

圖6 異步終端軟件基本結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Basic structure of asynchronous terminal software

客戶端軟件從上至下分3個層次，界面層，業(yè)務(wù)層，網(wǎng)絡(luò)通信層。用戶從登錄界面登錄到服務(wù)器，然后獲取用戶權(quán)限下所有可控異步屏幕終端列表，呈現(xiàn)在終端列表界面中，從而對列表中的各個終端可進行狀態(tài)監(jiān)控和節(jié)目更新。節(jié)目編輯界面提供屏幕顯示內(nèi)容的編輯和預(yù)覽功能。每個公司或者項目可能會有不同的編輯界面。如高速公路情報板界面要求具備常用路況圖標和點陣文字布局，而廣告小區(qū)屏幕的編輯界面要求能插入動畫、視頻和彩色圖片。

圖6是異步終端軟件的基本結(jié)構(gòu)，分為終端控制和節(jié)目播放兩個部分?？刂撇糠衷O(shè)計為3個層次：頂層是系統(tǒng)控制層，中間是協(xié)議的生成和解釋層，底層是與中轉(zhuǎn)服務(wù)器代碼復(fù)用的網(wǎng)絡(luò)通信層。本文設(shè)計的中轉(zhuǎn)服務(wù)器透明轉(zhuǎn)發(fā)用戶與終端之間的通信數(shù)據(jù)包，因此，不同的項目除了節(jié)目播放器可以不同之外，也可以有不同的終端協(xié)議數(shù)據(jù)包，完全無縫的兼容于同一個中轉(zhuǎn)服務(wù)器。

3.4 系統(tǒng)運行時數(shù)據(jù)流圖

這里通過圖7來綜合描述中轉(zhuǎn)服務(wù)器、客戶端軟件、異步終端軟件三者之間及其內(nèi)部各主要模塊的數(shù)據(jù)傳遞與調(diào)用關(guān)系。

圖7 系統(tǒng)運行時數(shù)據(jù)流圖Fig.7 Runtime data flow of the system

5 結(jié) 論

針對移動互聯(lián)網(wǎng)的日益普及帶來的異步LED顯示屏集群管理系統(tǒng)的新需求，本文將常規(guī)服務(wù)器的模式與異步屏幕領(lǐng)域結(jié)合起來，提出了一種以廣域網(wǎng)絡(luò)為基本承載的異步屏集群管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，又結(jié)合異步應(yīng)用需求多樣性、客戶及屏幕多樣性等行業(yè)特點，建立了較為完備通用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型和通用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并且定義了可復(fù)用的客戶端和終端軟件架構(gòu)，從設(shè)計和實現(xiàn)兩方面解決了單一服務(wù)器系統(tǒng)同時支持多個應(yīng)用領(lǐng)域、多用戶、不同屏幕群體的問題。因此本文的設(shè)計是一種開放式可擴展的異步LED屏幕集群系統(tǒng)平臺。在實現(xiàn)方法上進行了大量的優(yōu)化，實際完成的系統(tǒng)在性能和穩(wěn)定性方面達到了實用的標準。誠然，本文實現(xiàn)的系統(tǒng)也有其局限，網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和及時性極大的依賴于網(wǎng)絡(luò)運營商，只有可以承受這種潛在風(fēng)險的項目才適合采用本系統(tǒng)。

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