摘 要：隨著城市化發(fā)展的速度越來越快，互聯(lián)網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)水務行業(yè)相融合所產(chǎn)生的智能遠傳水表產(chǎn)品的使用日益增多，這就給互聯(lián)網(wǎng)后臺服務應用程序提出了更高的性能和并發(fā)要求。目前開發(fā)的后臺服務應用程序中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要以基于TCP/IP協(xié)議的Socket編程技術(shù)構(gòu)建。本文主要結(jié)合水表行業(yè)實際項目經(jīng)驗，闡述我是如何設計和開發(fā)一個高并發(fā)、高性能、高可用的網(wǎng)絡通信框架。

關(guān)鍵字：水表 高可用 Socket 框架

       Socket服務器主要用于提供高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)處理、消息轉(zhuǎn)發(fā)等服務，它直接決定了前臺應用程序的性能。

       Socket通信從技術(shù)上分為客戶端和服務端，目前客戶端主要為無線遠傳集中器、有線遠傳集中器、單個物聯(lián)網(wǎng)終端水表，實際上客戶端在單微機上都只有一個Tcp客戶端在連接。服務端Tcp連接包含長連接和短連接共存，隨著用戶量以及設備量的增加，一個高可用的Socket服務端技術(shù)的實現(xiàn)是非常重要的。

       直入主題，介紹我們的Socket通信服務框架，從架構(gòu)上分為：網(wǎng)絡層、業(yè)務層、數(shù)據(jù)層，其中在網(wǎng)絡層增加了消息隊列，在業(yè)務層加入業(yè)務抽象類處理不同的業(yè)務類型，在數(shù)據(jù)層引入SQL消息隊列以及緩存數(shù)據(jù)庫。具體如圖：

（圖一）WMSocket通信服務框架

       網(wǎng)絡層主要實現(xiàn)Socket連接的創(chuàng)建、消息接收、消息發(fā)送、關(guān)閉連接功能。作為Socket通信服務端，網(wǎng)絡層的性能非常重要，所以我們在設計網(wǎng)絡層的時候，著重的突破以下幾方面：最大連接數(shù)、最大并發(fā)數(shù)、消息處理秒級別。主要通過如下幾種技術(shù)和技巧解決：

1）使用基于IOCP模型的SAEA方式

       在Windows環(huán)境下利用Windows內(nèi)核來進行I/O的調(diào)度，是用于Socket通信模式中性能最好的網(wǎng)絡通信模型。Windows I/O Completion Ports完成端口技術(shù)的提出解決了“one-thread-per-client”即一個客戶端連接就啟動一個新的線程和客戶端進行通信導致CPU在線程之間進行上下文切換所帶來了負擔的缺點，它充分利用內(nèi)核對象的調(diào)度，僅僅只需要少量的幾個線程來處理和客戶端的所有通信，消除了無畏的上下文切換，從而最大限度的提升了網(wǎng)絡通信的性能。

而在.NET環(huán)境下使用SAEA（SocketAsyncEventArgs）方式，重點在于池化，主要目的是避免在異步套接字I/O量非常大的情況下發(fā)生重復的對象分配和同步，提升性能和減少GC回收壓力。

2）使用雙工通信

       雙工通信是提升Socket服務通信效率的一種有效技術(shù)方法。我們采用啟動一個TcpSend線程調(diào)度器，在SAEA異步接收消息進行業(yè)務處理后，如果需要進行發(fā)送消息到客戶端，采用向發(fā)送消息隊列中Push一條消息，包含SAEA連接對象，通過TcpSend調(diào)度器輪詢進行消息發(fā)送，以實現(xiàn)全雙工通信。

3）消息隊列及調(diào)度任務

       網(wǎng)絡層消息隊列主要為接收消息隊列以及發(fā)送消息隊列，主要目的在于提高Socket服務器的吞吐量。我們定義一個接收消息隊列RecQueue和一個發(fā)送消息隊列SendQueue，然后啟動多個調(diào)度任務，不斷的從消息隊列中拿取消息，接收消息隊列調(diào)度任務將消息拿取拋至業(yè)務層進行業(yè)務邏輯處理，發(fā)送消息隊列調(diào)度任務拿取消息調(diào)用網(wǎng)絡層發(fā)送消息接口，向指定客戶端發(fā)送消息。

4）心跳掃描

       心跳分兩種，一種為長連接客戶端模式時由客戶端定時發(fā)送心跳過來，服務端接收心跳消息，一旦超時沒有心跳消息則判斷客戶端斷開，服務端主動關(guān)閉該連接。另一種為服務端啟動的定時心跳掃描，定時掃描每條連接，不論長連接還是短連接如果超過超時時間沒有I/O響應，則關(guān)閉它，杜絕了掛掉的客戶端成為落地生根的釘子戶，占用系統(tǒng)資源。

5）粘包處理

       針對短連接不存在粘包情況，因為每次接收消息都要經(jīng)過握手連接，接收消息，關(guān)閉連接。但是針對長連接，服務端在接收消息包時，就可能出現(xiàn)兩條或多條消息一起接收了，而出現(xiàn)粘包情況。在這里我們采取了封裝報文頭和報文尾，并且加入報文長度位進行處理，來解決粘包的問題。

       業(yè)務層接收到網(wǎng)絡層調(diào)度任務拋過來的消息后，解決消息包，根據(jù)獲取到的消息類型TYPE，通過抽象類轉(zhuǎn)到相對對象的業(yè)務處理流程進行處理。

       業(yè)務處理流程通過單機或集群進行業(yè)務處理后，生成數(shù)據(jù)緩存實體，存入到Redis緩存數(shù)據(jù)庫，以供Redis調(diào)度任務進行數(shù)據(jù)處理。

       同時業(yè)務層有發(fā)送消息時，根據(jù)具體的業(yè)務應用，封裝不同功能的消息包，調(diào)用網(wǎng)絡層消息發(fā)送接口，往網(wǎng)絡層消息發(fā)送隊列插入消息，以供網(wǎng)絡層發(fā)送消息隊列調(diào)度任務進行發(fā)送處理。

       數(shù)據(jù)層的設計是整個Socket通信服務架構(gòu)的關(guān)鍵。舉個例子說明：假設我們的Socket服務器每秒均值處理2000條消息，每處理一條消息都會將數(shù)據(jù)作為歷史記錄存儲到數(shù)據(jù)庫，同時還要關(guān)聯(lián)其他相關(guān)業(yè)務數(shù)據(jù)和表。那么數(shù)據(jù)層要想跟上網(wǎng)絡層的處理性能，其執(zhí)行SQL語句的效率也就必須達到每秒2000*n次，通常情況下我們的SQL語句的執(zhí)行效率要達到那么高是很困難的。所以在整個Socket通信服務端，數(shù)據(jù)庫的執(zhí)行效率是瓶頸！

       那么如何提高數(shù)據(jù)庫的執(zhí)行效率，讓數(shù)據(jù)層的處理速度和網(wǎng)絡層的處理速度達到一個平衡？我們的設計是分兩步走：首先采用高效內(nèi)存數(shù)據(jù)庫Redis+異步數(shù)據(jù)存儲處理方式，確保通過高效的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫Redis跟上網(wǎng)絡層的處理速度；然后異步數(shù)據(jù)存儲，通過DB連接池+SQL消息隊列+SQL調(diào)度任務批量處理，通過穩(wěn)定平衡的利用數(shù)據(jù)庫空閑時間的處理來降低數(shù)據(jù)庫硬盤存儲數(shù)據(jù)的壓力。

以上架構(gòu)設計完成后，通過測試發(fā)現(xiàn)：一臺4G內(nèi)存，2.4G主頻，2處理器CPU的單機，接收客戶端連接為32000時出現(xiàn)拒絕連接。也就是說在該服務器資源情況下，最多能接收到32000個連接數(shù)，按照一個采集設備至少負載1000臺智能水表算，該服務器資源情況下至少能滿足3000萬臺無線遠傳水表的接入和數(shù)據(jù)上傳，完全能夠滿足一個大?。ㄈ绾鲜。┑闹悄苓h傳水表的接入。

 

[1] 楊秋黎,金智.Windows網(wǎng)絡編程（第2版）.人民郵電出版社，2016.

[2] 胡萍,陳志鵬. 基于線程池的高性能服務器軟件的設計與實現(xiàn). 計算機技術(shù)與發(fā)展. 2006.

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[4] 劉偉. 設計模式（重點大學軟件工程規(guī)劃系列教材）.清華大學出版社,2011.

[5] 黃曉君,周志斌. 淺談遠傳水表系統(tǒng). 科技信息學術(shù)版,2008（16）：260+262.