摘 要：無線控制器（AC）是WLAN網(wǎng)絡的集中控制中樞，是部署大型無線局域網(wǎng)必不可少的組成部分。AC系統(tǒng)為嵌入式系統(tǒng)，要求高吞吐率，低成本，具有一定的實時性。本文介紹一種多線程無線控制器的設計方法，以具體業(yè)務按照優(yōu)先級由高至低的順序劃分多線程。使線程數(shù)目更少，實時性更強，可以同時維護數(shù)千Socket連接數(shù)。本文最后對首要性能指標做出了分析。

關鍵詞：多線程并發(fā)；軟實時系統(tǒng)；消息隊列；響應時間優(yōu)化

中國分類號：TP311.52

1 按照功能劃分多線程設計方法概述

在進行多線程應用程序設計時，一般是按照對象劃分線程，一個對象對應一個線程。這樣做的好處是可以很方便的擴展對象的數(shù)量規(guī)模，并簡化程序的復雜程度。

但是在嵌入式程序設計當中，對事件的響應時間要求更高，按照對象劃分線程的方法只能保證每個對象獲得CPU的時間的公平的，當CPU成為系統(tǒng)瓶頸時，并無法保證每個對象都可以及時的得到CPU資源。

如果采用按照業(yè)務優(yōu)先級劃分多線程的方法，就可以使按照具體事務對響應時間要求的高低來劃分優(yōu)先級，生成不同優(yōu)先級的多個事件隊列。這樣就可以保證最緊急的事件，在最短的時間內(nèi)得到處理。

圖1 單個對象單個線程模型

如圖1，為處理單個對象的線程結構模型，當CPU調(diào)度到此線程時，依次處理高優(yōu)先級事件，中等優(yōu)先級事件，低優(yōu)先級事件。假設處理高優(yōu)先級事件花費時間為Ta，中等優(yōu)先級事件的花費為Tb，低優(yōu)先級事件的花費為Tc，那么在Nc個CPU的系統(tǒng)中，處理第M個對象的平均等待時間Td為：

（Ta+Tb+Tc）x（M-1）/Nc 公式1

圖2 按照功能劃分多線程模型

如圖2，為按照優(yōu)先級劃分多線程的設計方法，CPU將依次處理三個隊列中的事件，高優(yōu)先級的事件總是最優(yōu)先得到處理。設定CPU調(diào)度方式為FIFO和非搶占，集中處理高優(yōu)先級隊列的線程時間限制為Th，集中處理中優(yōu)先級隊列的線程時間限制為Ti，集中處理低優(yōu)先級隊列的線程時間限制為Tj，則第M個對象的高優(yōu)先級事件得到響應的最大時延為Max（Th，Ti，Tj）。與圖1的設計方法相比較，圖2具有明顯的優(yōu)勢。

根據(jù)業(yè)務優(yōu)先級劃分多線程結構程序設計方法的其他優(yōu)勢還有線程最大個數(shù)可控，響應時間可控，實時性更好等。

無線控制器AC要求一定的實時性，是一個網(wǎng)絡密集型和CPU密集型的軟件系統(tǒng)。適用于本文提出的這種設計方法。如圖3，將AC與AP之間的連接設計為TCP的通信方式，保證報文傳輸?shù)目煽啃?。后續(xù)可以引入OpenSSL，實現(xiàn)報文的加密傳輸。

圖3 AC系統(tǒng)示意圖

采用業(yè)務優(yōu)先級劃分的設計方法，AC系統(tǒng)容易出現(xiàn)多個線程同時發(fā)送數(shù)據(jù)的情況。如圖4，線程B在線程A發(fā)送數(shù)據(jù)完畢后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。當線程B發(fā)送的數(shù)據(jù)量超過了TCP發(fā)送隊列的容量時，線程B會被阻塞。如果線程A緊接著也要發(fā)送數(shù)據(jù)，則線程A也會被阻塞。直到TCP發(fā)送隊列中有數(shù)據(jù)發(fā)送成功，騰出足夠的空間容納線程B和線程A之后才會恢復。

可以通過下面兩種方法，以避免上述阻塞的情況產(chǎn)生：

（1）將TCP Socket的屬性設置為非阻塞。

（2）將TCP Socket的發(fā)送隊列進行適度的擴大。

（3）在發(fā)送數(shù)據(jù)前，對TCP Socket發(fā)送隊列進行檢查。如果沒有空閑的空間，則放棄發(fā)送。

圖4 TCP阻塞示意圖

為了避免陷入阻塞，可以在發(fā)包前對發(fā)送隊列進行判定，一旦檢測出發(fā)送隊列已滿的情況發(fā)生，則放棄本次數(shù)據(jù)發(fā)送。

2 無線控制器

AC系統(tǒng)的主要目的是發(fā)現(xiàn)，控制，管理，維護同一網(wǎng)絡中的無線接入點AP。具體事務可以劃分為發(fā)現(xiàn)探測過程，連接建立過程，鏈路?；钸^程，命令交互過程等等。

表1 無線控制器AC主要功能列表

事務名稱優(yōu)先級單個事務耗時（ms）線程時間片控制

鏈路?；钭罡?對象個數(shù)Mx2

命令交互次高5對象個數(shù)Mx2

連接建立一般100對象個數(shù)Mx2

如表1，可將AC系統(tǒng)劃分為3個專門處理事務的線程和1個負責收包解析并分發(fā)各個事務的連接管理線程。

2.1 連接管理任務設計

連接管理線程主要負責維護與各個AP之間的Socket連接，包括鏈路的協(xié)商，建立和斷開，以及報文的接收等。該線程需要設置為最高優(yōu)先級，確保Socket接收到報文之后，可以立即得到處理。

使用EPOLL機制實現(xiàn)AC與所有AP之間的連接的監(jiān)聽，收到報文后立即分發(fā)至各個業(yè)務模塊。經(jīng)過實際的測試，連接數(shù)可以達到4000以上。

2.2 鏈路?；钊蝿赵O計

然后是鏈路?；罹€程，主要負責定時向AP發(fā)送鏈路?；钕ⅲ⒏鶕?jù)鏈路?；罨貞⑴卸ˋP是否在線。假設?；钪芷跒镵，則要求在K時間內(nèi)發(fā)出M個鏈路?；钕?。否則就會有AP掉線，進而使整個無線系統(tǒng)不穩(wěn)定。出于對系統(tǒng)負載分擔的考慮，并不能簡單的在定時器到期后將M個鏈路?；顖笪募械囊淮涡匀l(fā)出去，因為這樣會使得M個AP在同一時刻內(nèi)集中的發(fā)送鏈路?；铐憫獔笪?，進而瞬間提高AC系統(tǒng)的負載。針對這種情況，一種解決辦法是將M個鏈路?；顖笪脑贙周期內(nèi)均勻的發(fā)送出去。設定?；钪芷贙的誤差為秒級，則每秒需要發(fā)出M/K+1個報文。使用獨立的鏈路?；罹€程，設置線程的喚醒周期為秒。該線程被喚醒時，首先計算本線程上一次執(zhí)行到現(xiàn)在經(jīng)過的時間Ka，然后計算本次線程執(zhí)行需要發(fā)出的鏈路保活報文個數(shù)Ma=Kax（M/K+1），再然后發(fā)出Ma個鏈路保活報文，最后記錄本次調(diào)用發(fā)生的時間，供下一次計算Ka時使用。

鏈路保活任務是絕對不允許被阻塞的。阻塞一旦發(fā)生，不僅引起阻塞的AP會掉線，當阻塞時間較長時，其他AP也會因為得不到響應而陸續(xù)的掉線。因此?；顖笪陌l(fā)送之前，一定要對TCP Socket的發(fā)送隊列進行檢查，如果不滿足本次發(fā)送條件，直接放棄。等待下一次定時器到期后再次嘗試。

圖5 鏈路?；钊蝿樟鞒虉D

2.3 連接建立任務設計

按照時間順序，AP的上線過程第一步是建立連接，包含發(fā)現(xiàn)探測和TCP握手兩個步驟。發(fā)現(xiàn)探測的目的是識別設備類型，預部署，避免連接重復建立，以及確定三層網(wǎng)絡是否暢通。TCP握手步驟以非阻塞的方式進行，可以與多個AP并發(fā)的進行，并可以進一步實現(xiàn)為基于OpenSSL的安全連接TLS。AC作為Server端響應來自AP的TCP連接請求，整個線程每次執(zhí)行只處理一個TCP報文，并不會占用太多的CPU時間。

將該線程的優(yōu)先級設定得比較低，目的是讓CPU優(yōu)先處理已上線的AP的事務，并盡量縮短已發(fā)現(xiàn)的AP的上線時間。該任務的另一個作用是控制并發(fā)連接數(shù)，只要為該線程設置單位時間內(nèi)可處理的報文個數(shù)，就可以有效的抑制并發(fā)連接個數(shù)。

圖6 連接建立任務流程圖

2.4 命令交互任務設計

命令交互流程是AP上線后，與AC不定時交互數(shù)據(jù)的過程，數(shù)據(jù)量小，具有隨機性，且容易產(chǎn)生突發(fā)的數(shù)據(jù)流。在程序的具體實現(xiàn)中，需要根據(jù)具體的命令的特點，進一步細分若干個具體的任務。

3 性能分析

表2 系統(tǒng)規(guī)格

組件規(guī)格

CPU單核533MHz

內(nèi)存DDR2 512MB

以太網(wǎng)控制器千兆

系統(tǒng)總線32位

內(nèi)置存儲器Nor-flash 32MB

OS嵌入式Linux

3.1 吞吐率（R）

使用wireshark抓包統(tǒng)計系統(tǒng)的TCP數(shù)據(jù)報文吞吐率如表3。可以得出吞吐率為100個/秒。將大量數(shù)據(jù)合并到一個報文中進行發(fā)送，可以提升實際業(yè)務的處理效率。

表3 TCP數(shù)據(jù)報文統(tǒng)計

報文統(tǒng)計周期報文數(shù)量

5分鐘30012

10分鐘60020

15分鐘90040

20分鐘120055

3.2 命令交互響應時間

一次完整的命令交互至少包含兩條消息，一個是AP發(fā)給AC，另一個是AC發(fā)給AP；或者相反。復雜的命令則需要多次交互。這里將命令交互響應時間定義為一次報文交互所消耗的時間。

如果發(fā)生命令交互之時，系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，則可根據(jù)吞吐率（R）計算一次命令交互的響應時間為2R=20ms。

考慮到整個系統(tǒng)對線程原子操作的時間控制在1秒（設為變量U，單位ms）以內(nèi)，當發(fā)生命令交互之時，如果系統(tǒng)處在繁忙狀態(tài)，則AC系統(tǒng)響應一次命令交互，會產(chǎn)生最多1秒的延時。此時響應時間為（U+2R）毫秒。

綜合任務優(yōu)先級考慮，命令交互的優(yōu)先級排在鏈路保活之后，鏈路?；钚枰l(fā)送M個?；顖笪摹４藭r響應時間為（U+（M+2）xR）毫秒。

3.3 AP并發(fā)上線時間

AP上線時間是衡量系統(tǒng)綜合性能的一個重要指標，能夠真實的體現(xiàn)到用戶體驗中。AC系統(tǒng)處理AP上線是通過連接建立，命令交互等多個線程協(xié)同處理完成的。期望的運行結果是類似于對數(shù)曲線的效果。

參考文獻：

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[2]趙俊.IEEE 802.11無線局域網(wǎng)性能分析和優(yōu)化[D].2003

[3]何劍，劉鐮斧編著.Linux實時性能瓶頸分析[J].成都信息工程學院學報，2005.

作者簡介：賈非（1984.01-），男，就職于神州數(shù)碼網(wǎng)絡公司，高級開發(fā)工程師。

作者單位：北京信息科技大學 理學院，北京 100192

基金項目：國家自然科學基金號：61473325