摘 要： 在此給出完成端口在某水下安防系統(tǒng)監(jiān)控軟件中的一種應(yīng)用，在簡要介紹完成端口模型的基礎(chǔ)上，敘述了利用完成端口實現(xiàn)安防系統(tǒng)監(jiān)控軟件底層通信模塊的方法，并構(gòu)建了一個完整的監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)架。該方法提高了監(jiān)控軟件網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)吞吐率，節(jié)約了CUP資源，同時在該構(gòu)架下能夠輕松實現(xiàn)安防系統(tǒng)軟硬件的擴展和升級。

關(guān)鍵字： 完成端口（IOCP）； 網(wǎng)絡(luò)通信； 水下安防系統(tǒng)； 監(jiān)控軟件

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0077?03

某水下安防系統(tǒng)監(jiān)控中心通過網(wǎng)絡(luò)交換機將各個傳感器子系統(tǒng)連接到局域網(wǎng)中，各傳感器子系統(tǒng)包括水下被動聲納、水面雷達、岸基式AIS等組成，通過監(jiān)控中心千兆網(wǎng)絡(luò)交換機連接到兩臺監(jiān)控中心主機上，其中主機1完成安防狀態(tài)三維顯示及數(shù)據(jù)服務(wù)器的功能，主機2負責安防狀態(tài)控制功能。監(jiān)控中心各子系統(tǒng)主機通過TCP方式（即C/S模式）與主機1數(shù)據(jù)服務(wù)器連接，監(jiān)控中心的主機2接收數(shù)據(jù)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)各傳感器子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，各子系統(tǒng)之間通過主機1數(shù)據(jù)服務(wù)器可自由收發(fā)數(shù)據(jù)。

1 必要性

圖1是監(jiān)控中心各子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖。在Windows操作系統(tǒng)中通常實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信程序有如下這幾種模型：Select，WSAAsyncSelect，WSAEventSelect，I/O重疊模型、完成端口[1]。前面3種模型采用阻塞模式對端口進行操作，具有編程簡單易用的特點，適用于數(shù)據(jù)吞吐量不大的應(yīng)用。另外，在阻塞模式下，程序在處理多個客戶端并發(fā)事件時需要對每一個客戶開辟一個線程去處理，此時響應(yīng)多個客戶請求時就需要CPU不停地在每個線程之間進行上下文的切換，因為線程切換是相當浪費CPU時間的，所有阻塞通信加多線程模式是一種需要占用大量CPU時間的編程模式。

I/O重疊模型和完成端口模型都高性能的非阻塞異步通信模式[1]，非阻塞的異步通信模式通常內(nèi)部提供了線程池的管理，可以避免反復(fù)創(chuàng)建線程的開銷，同時可以根據(jù)CPU的個數(shù)靈活地決定線程個數(shù)，而且可以減少線程調(diào)度的次數(shù)從而提高性能，大大降低了CPU的占用時間。非阻塞的異步通信模式通常編程難度大，一般只應(yīng)用與大型服務(wù)器。該安防系統(tǒng)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時間不相同，采集數(shù)據(jù)量大易導致網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)多個并發(fā)事件，需要數(shù)據(jù)服務(wù)器同時響應(yīng)并處理并發(fā)事件，作為監(jiān)控中心主機1（數(shù)據(jù)服務(wù)器）的網(wǎng)絡(luò)通信程序必須采用高性能非阻塞的異步通信模式編寫。另外，數(shù)據(jù)服務(wù)器主機同時需要負責安防態(tài)勢的解算、三維場景計算及實時顯示功能，對CPU和內(nèi)存等系統(tǒng)資源使用要求較高。I/O重疊模型和完成端口模型都是高性能的非阻塞異步通信模式，考慮到編程難度相當且完成端口的性能更加優(yōu)秀，因此在該項目中使用更高性能的完成端口（IOCP）模型編制服務(wù)器程序。

2 IOCP簡介

完成端口（Completion Port）是一種基于重疊 I/O（Overlapped I/O）的高性能異步通信機制，使用設(shè)備內(nèi)核對象來協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收[2]。當使用完成端口進行網(wǎng)絡(luò)通信時，應(yīng)用程序只需要向操作系統(tǒng)提交數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的請求，此時應(yīng)用程序可以自由地做其他事情而不會被阻塞，操作系統(tǒng)會在網(wǎng)絡(luò)I/O操作“完成”之后通知應(yīng)用程序，應(yīng)用程序在接到系統(tǒng)的通知時，網(wǎng)絡(luò)操作已經(jīng)完成，此時應(yīng)用程序只需要處理后面的事情了。完成端口就是不斷投遞重疊 I/O 操作，將耗時的操作交給系統(tǒng)后臺進行，應(yīng)用程序便獲得了解放。

3 IOCP的實現(xiàn)

作為Windows操作系統(tǒng)最復(fù)雜的內(nèi)核對象，下面簡要說明完成端口實現(xiàn)的步驟[1]：

（1） 調(diào)用CreateIoCompletionPort（ HANDLE FileHandle，HANDLE ExistingCompletionPort， ULONG_PTR CompletionKey，DWORD NumberOfConcurrentThreads）函數(shù)創(chuàng)建一個完成端口，函數(shù)第4個參數(shù)保持為0，它指定在完成端口上每個CPU一次只允許執(zhí)行一個工作者線程；

（2） 判斷系統(tǒng)內(nèi)有幾個CPU；

（3） 創(chuàng)建工作者線程，根據(jù)步驟2得到的CPU信息，在完成端口上為已完成的I/O請求提供服務(wù)，為避免由于線程數(shù)量不足而使CPU處于空閑的局面，通常創(chuàng)建2倍于CPU數(shù)量的工作者線程以供使用；

（4） 準備好一個監(jiān)聽套接字，綁定到本機IP上，在端口5000上監(jiān)聽傳入的連接請求；

（5） 使用AcceptEX函數(shù)，接受入站的連接請求；

（6） 創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于保存單句柄數(shù)據(jù)，同時在結(jié)構(gòu)中存入接受的套接字；

（7） 調(diào)用CreateIoCompletionPort，將自AcceptEx返回的新套接字句柄同完成端口關(guān)聯(lián)到一起，通過completionKey參數(shù)，將單句柄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳遞給CreateIoCompletionPort；

（8） 開始在已接收的連接上進行I/O操作。在此，希望通過重疊I/O機制在新建的套接字上投遞一個或多個異步WSARecv或WSASend請求，這些I/O請求完成后，工作者線程會為I/O請求提供服務(wù)，同時繼續(xù)處理以后的I/O請求；

（9） 重復(fù)步驟（5）～（8），直至服務(wù)器終止。

4 IOCP在某安防系統(tǒng)中的應(yīng)用

數(shù)據(jù)服務(wù)器主機軟件除了負責數(shù)據(jù)接收存儲和轉(zhuǎn)發(fā)的功能外還負責地理坐標轉(zhuǎn)換、傳感器數(shù)據(jù)融合、安防態(tài)勢的解算、目標軌跡濾波插值、三維場景計算及實時顯示功能，該軟件在使用完成端口的通信模式在安防系統(tǒng)中的程序流程圖如圖2所示。

為了使用的方便以及代碼的重用，在該軟件中將完成端口（IOCP）封裝成一個完成端口通信類 CIocpServer，提供了連接、監(jiān)聽、發(fā)送、接收等基本網(wǎng)絡(luò)通信功能，同時將接收到的數(shù)據(jù)保存到特定內(nèi)存中，提供給上一級模塊調(diào)用。

在測試該軟件完成端口通信模塊時，筆者采用NetAssist網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手作為客戶端軟件，以5 ms的發(fā)送速度向該軟件發(fā)送數(shù)據(jù)，為便于觀察系統(tǒng)資源占用情況，將服務(wù)器和客戶端軟件放置在一臺計算機上，如圖3所示有數(shù)據(jù)通信時2個軟件系統(tǒng)資源的占用情況。

圖4中，紫色部分為某安防軟件SZMoniSys系統(tǒng)占用情況，藍色部分為網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手NetAssist系統(tǒng)占用情況。由圖可知采用完成端口作為以太網(wǎng)的通信程序其CUP占用率幾乎可以忽略，而網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手NetAssist的CUP占用率卻達到了25%。如表1所示。

從表中可以看出完成端口模式在軟件中使用時，繁忙和空閑時CPU占用率基本沒有變化，幾乎可以忽略不計，大大節(jié)約了系統(tǒng)硬件資源，把寶貴的系統(tǒng)資源留給數(shù)據(jù)分析處理、三維場景計算和顯示。

另外，在今后的安防系統(tǒng)中，需要增減雷達、紅外監(jiān)視器等傳感器設(shè)備時，要求監(jiān)控軟件具有良好的伸縮性，在該軟件中由于采用了C++標準類的形式封裝了完成端口，進一步提高了IOCP模型優(yōu)良的擴展性能，使得該監(jiān)控軟件具有通用性強，擴展便捷的特點，輕松實現(xiàn)傳感器的增減。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種滿足某安防系統(tǒng)中的高性能通信服務(wù)器端架構(gòu)并完成服務(wù)器底層通信的開發(fā)。完成端口（IOCP）作為一個高效但復(fù)雜精巧的Windows內(nèi)核I/O對象[3]，能提供了最好的伸縮性和最高的數(shù)據(jù)吞吐率，將節(jié)約的大量寶貴系統(tǒng)資源留給軟件需要完成的更主要功能，恰好滿足服務(wù)器“高性能”的要求。在實際應(yīng)用中，采用基于完成端口的通信服務(wù)模式表現(xiàn)出了優(yōu)良的穩(wěn)定性、顯著的性能優(yōu)勢、優(yōu)異的軟件和硬件擴展性，同時在保證了系統(tǒng)高性能運行的基礎(chǔ)上極大地降低了系統(tǒng)軟硬件成本、系統(tǒng)復(fù)雜性以及維護開發(fā)成本。本文提供的基于完成端口的通信服務(wù)器在很大程度上優(yōu)化了對系統(tǒng)資源的利用和用戶的調(diào)用，經(jīng)過實際應(yīng)用測試，效率和性能比傳統(tǒng)方式要高出許多，因此可以應(yīng)用于水下安防系統(tǒng)三維視景軟件數(shù)據(jù)服務(wù)器的使用。

參考文獻

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