2024年4月2日发(作者：)
MicrocomputerApplicationsVol.27,No.2,2011
文章编号：1007-757X(2011)02-0021-02
研究与设计微型电脑应用2011年第27卷第2期
载波设备网管中高性能网络通信的模块设计
王斌，姜元建，徐伟
摘要：以载波设备网管系统的开发为背景，利用windows操作系统提供的端口技术，给出了载波设备网管中网络通信模块
的设计方案，该方案采用线程池、对象池等多种系统优化技术。网络通信模块以动态库输出函数方式为上层应用提供网络服
务。
关键词：设备网管；完成端口；通信模块
中图分类号：TN915文献标志码：A
0引言
载波设备网管是指安装于调度局端，运行于windows
操作系统之上的一套面向载波网络进行监控的专业软件系
统，它由图形应用、数据库应用和前置通信应用等若干模块
构成，能够实现对载波设备参数配置、查询以及运行状态监
测等各种功能。
前置通信软件与安装在各个变电站中的载波通信管理
机通过网络进行通信，实现对载波设备的监控及数据采集。
载波通信管理机作为通信的发起方，主动与前置软件建立
TCP连接，完成数据的上传和下发，一个完整的载波监测系
统结构如图1所示。
要实现一个高性能网络通信模块，比较简单方式是采用
并行化模型，即一个线程等待客户连接，当客户请求到达时，
该线程创建新的工作线程去处理客户请求。这种模型减轻了
实际开发的复杂度，每个独立线程都能很快的对每个新到达
的客户请求进行处理。但随着客户请求数量的不断增多，工
作线程的数目会越来越多，而创建和销毁大量线程所花费的
时间和消耗的系统资源是巨大的，同时也会加重线程调度的
负担，浪费许多宝贵的CPU时间。
IOCP是Winsock2中引入的一个高效复杂的内核对象，
该对象通过创建指定数量的线程对重叠I/O操作进行处理。
其实可以简单地把IOCP看成是系统维护的一个队列，操作
系统把重叠I/O操作完成的事件通知放入该队列，由于是暴
露操作完成的事件通知，所以命名为“完成端口”。一个
socket被创建后，可以在任何时刻和一个IOCP进行关联，
此后，在该socket上进行的重叠I/O操作均使用此IOCP发
出通知，由工作线程来处理相应的消息。IOCP机制的工作
原理如图2所示。
重叠I/O
阻塞
的工
GetQueuedCompletionStatus
应
用
完成包
作线
程队
列
先进
先出
完成
包队
列
I/O系统
完成端口(IOCP)
图1载波监测系统结构
图2IOCP工作原理图
从图1中可知，前置通信软件在载波设备网管中起着承
上启下的作用，必须谨慎设计才能保证系统良好的运行，因
此，采用分层的思想来设计，将前置通信软件分成逻辑处理
层和网络通信层，其中，网络通信层作为核心模块，主要功
能接受并发连接、网络数据包、暂存和发送逻辑层的逻辑数
据包。在载波设备网管中，网络通信模块采用了windows
操作系统提供的完成端口(IOCP)技术，以动态库输出函数方
式为上层应用提供服务。
从图2中可知，一个应用可以预先创建多个工作线程来
处理完成端口上的通知事件，这些线程处于堵塞状态，系统
将应用发出的重叠I/O操作完成事件投递到一个队列中，事
先开好的线程逐一从该队列中取出完成包并加以处理。对于
处理大量并发异步I/O请求的操作来说，相比于在I/O请求
发生时创建线程而言，这样不光能够避免频繁地创建线程和
销毁线程，而且用数目很少的线程就可以处理大量客户端并
发请求，大大提高了线程和CPU利用率。
1完成端口的机制
2通信模块的设计
———————————
作者简介：王斌（1977-），男，南京，国网电科院南瑞集团信通分公司，工程师，硕士生，主要研究通信、网管，江苏南京211106
姜元建（1973-），男，南京，国网电科院南瑞集团信通分公司，工程师，本科，主要研究通信、网管，江苏南京211106
徐伟（1980-），男，南京，国网电科院南瑞集团信通分公司，工程师，硕士生，主要研究通信、网管，江苏南京211106
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MicrocomputerApplicationsVol.27,No.2,2011研究与设计微型电脑应用2011年第27卷第2期
2.1基于IOCP的总体设计
网络通信模块需要提供开启/关闭网络服务、管理客户
端连接列表、管理未决的接受请求列表、发出异步操作等基
本的网络通信功能，利用完成端口机制进行网络模块设计，
主要就是完成初始化网络系统、创建完成端口、创建监听线
程和工作者线程来实现这些功能，同时提供输出函数为上层
应用提供用户接口，其总体架构如图3所示。
监听线程负责投递一定数量的AcceptExI/O操作，并且
将这些投递的操作记录在一个链表里，通过调用getsockopt
函数，检查连接建立的时间，如果超过规定的时间，则关闭
这个连接，以避免恶意客户连接。当已投递的I/O用到低于
一定数量的时候，再重新投递一定数量的AcceptExI/O操
作。
工作线程负责处理完成的重叠I/O操作，将从IOCP上
读取的接受数据或者连接请求通过用户接口通知上层逻辑
应用模块进行处理，当上层逻辑应用模块有数据需要发送的
时候，同样调用用户接口，将数据投递到IOCP上。
图3通信模块总体架构
2.2用户接口
以网络通信模块通过动态连接库的方式为应用系统提
供了如下接口函数：
1、网络初始化接口：为上层应用提供注册回调函数服
务，该回调函数用于处理客户端新连接、客户端断开连接、
连接出错、接受完数据和发送完数据等消息，通过设置回调
函数，可以使上层应用根据需要来处理相应的消息，实现自
己的逻辑应用功能。
2、建立完成端口接口：通过指定端口号，创建完成端
口，开启服务端功能。
3、数据发送接口：调用该函数，实现向客户端发送数
据的功能。
4、关闭客户端接口：通过指定相应客户端号，服务端
可以强行关闭与该客户端的连接。
5、连接服务端接口：通过该函数，可以实现主动连接
其它服务端的功能。
6、注销网络接口：通过该函数，关闭完成端口，终止
2.3关键技术
2.3.1池技术
在完成端口的设计中，“池”（POOL）几乎是必须采用
的原则。这里的“池”可以包含内存池、连接池、线程池等
多个方面。
在每一次投递WSASend或WSARecv操作时，都要传
进一个重叠结构体参数。可以提前建立一定量的重叠结构体
空间，并将其统一放入一个空闲队列中，当发起异步I/O操
作时，需先从空闲队列里取一个结构体空间来用，用完之后
并不直接销毁，而是再将其放回空闲队列以便以后重复利
用，这就是内存池技术的使用。
当服务器使用传统的accept接收客户端的一个连接后，
此函数会返回一个创建成功的客户端socket。在WinSock2
提供一个接受扩展函数AcceptEx时，它允许在接受连接之
前就事先创建一个socket，使之于接受的连接相关联。在调
用AcceptEx时可以直接把这个已经创建好的socket传给
AcceptEx。有了这个保证就可以在接受连接之前就创建一定
数量的socket等着AcceptEx来用，这就省去了临时创建一
个socket的系统开销，这就是所谓的连接池。
线程池是提高网络模块性能的一种很好技术，在网络模
块中使用的线程池主要是由完成端口对象负责维护的工作
线程池，负责投递异步I/O操作，此外，还有负责逻辑处理
的线程池，它是专门提供给应用层来使用的。
2.3.2线程同步技术
由于网络模块采用了多线程编程，所以对公共资源的保
护显得尤其的重要。为了保证多线程之间的同步，在网络模
块中采用了临界区来保护公共资源。临界区是一种防止多个
线程同时执行一个特定代码的机制，每个线程中访问临界资
源的那段程序称为临界区。
2.3.3数据发送技术
在网络模块中，为了避免冲击可分页内存锁定极限和非
分页内存极限，需要对同一个连接限制并发的I/O次数，这
里通过建立一个发送缓存队列来实现对每个连接仅允许一
个发送I/O，当WSASend未返回操作完成时，后续提交的
数据将放置于发送队列，直到WSASend完成，然后从发送
队列取出一块数据，继续发送。采用该方案还避免了在多个
工作线程存在的情况下，因为线程切换的随机性而导致对方
接收到的数据可能出现乱序的情况。
2.3.4安全关闭连接技术
在IOCP模式下，如果调用closesocket时有未决的I/O
操作将导致socket被重置，所以有时会出现数据丢失。正统
的解决方式是使用指定SD_SEND标志的shutdown函数，
当调用shutdown时，也许数据仍然停留在操作系统的缓冲
内，操作系统将在数据发送完后发出一个FIN包来启动关
闭进程，客户端接收完数据后，将接受到一个0长度的包，
以此判断连接已关闭，然后调用closesocket，这时服务器的
GetQueuedCompletionStatus将接收到一个数据长度为0的
包，这时就可以调用closesocket，并释放相关连接资源。
线程，释放相关资源。
（下转第27页）
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lpMultiByteStr,intcbMultiByte,LPCSTRlpDefaultChar,
LPBOOLlpUsedDefaultChar)；
WinCE还提供了语音播报的API:PlayText(char
*pcStr，intlen，intiType)，通过调用这个API可以实现新
抢险消息的语音提示功能。导航功能的实现借助于导航引擎
二次开发包，通过调用SDK所提供的功能回调函数：
FARPASCAL*GUIDER_SET_DESTINATION(PSID
pShow,float_2pointfp)，可以设置终点，并且触发导航事件。
这里参数fp是某一地点的经纬度。
终端接收到的各类消息都将保存到一个文件中，开机时
读取文件内容，终端UI将可以显示最近收到的20条消息。
对于服务器端发送的配置信息，将其保存到配置文件中，当
系统开机初始化时读取配置文件，初始化配置参数，如：按
时回报的时间间隔参数，按距回报的距离间隔参数，以及终
端的ID号。
而使终端能够在复杂的路况下更有效的进行导航。本文所实
现的方案已经应用于水务抢险系统中。然而，在某些极端的
情况下(如GPRS信号被屏蔽，隧道中无GPS信号等),将给
终端与服务器的通信带来困难，这些问题将成为定位导航系
统今后的主要研究课题。随着GPRS通信费用的下降以及地
图引擎的开源化如GoogleMap)，该系统在汽车防盗以及远
程监控系统中将有更广阔的应用前景。
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