基于IOCP模型的地震勘探服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
謝俊宇，周 嚴(yán)
（南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京210094）
摘要：針對地震勘探中網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)遇到的數(shù)據(jù)量大、傳輸速度慢、地震勘探服務(wù)器性能不足的問題，設(shè)計了基于IOCP傳輸模型的地震勘探服務(wù)器系統(tǒng)。通過對IOCP傳輸模型的深入分析，設(shè)計了多個地震采集道的并發(fā)高速傳輸?shù)姆⻊?wù)器軟件系統(tǒng)。最后，利用實際的地震采集道進行傳輸性能測試，測試表明，采用IOCP傳輸模型的服務(wù)器系統(tǒng)可以在原有的硬件基礎(chǔ)上大幅度提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，并且穩(wěn)定性更高，能夠滿足地震勘探過程中對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊蟆?
關(guān)鍵詞：地震勘探；網(wǎng)絡(luò)傳輸；完成端口
中圖分類號：TP39文章編號：1006 - 2394( 2016) 04 - 0018 - 04
0引言
地震勘探是目前最主要的油氣資源勘探方法，地震采集數(shù)據(jù)的傳輸主要基于有線或者無線以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，在中等規(guī)模的地震勘探采集系統(tǒng)中，采集道的數(shù)目通常維持在幾百到上千的數(shù)量級別，這些采集道由中央工作站進行統(tǒng)一控制，中央工作站作為服務(wù)器通常需要承擔(dān)管理眾多采集道的功能。
在目前采用的傳統(tǒng)的C/S（服務(wù)器／客戶端）編程模型中，通常采用“一個線程對應(yīng)一個客戶端”的服務(wù)器方案，這種方案一方面會極大地消耗服務(wù)器的資源，另一方面會加大服務(wù)器的處理負(fù)擔(dān)，服務(wù)器需要不停的在各個線程中進行切換，一旦切換失敗，就會導(dǎo)致服務(wù)器系統(tǒng)的崩潰。
本文針對地震勘探中地震采集道眾多的特點，采用IOCP(完成端口)機制合理地處理客戶端的并發(fā)和傳輸問題，使得服務(wù)器的資源可以被合理應(yīng)用和調(diào)度，有效解決地震勘探系統(tǒng)中服務(wù)器壓力問題，大幅度提高地震勘探服務(wù)器的運行效率。
1地震勘探網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成
本文研究的地震勘探系統(tǒng)主要由中央工作站和采集節(jié)點組成，中央工作站和采集節(jié)點之間通過無線網(wǎng)絡(luò)進行通信，無線通信采用802.11 b/g/n標(biāo)準(zhǔn)。采集節(jié)點部署在測線上，每條測線部署一定數(shù)量的采集節(jié)點，采集節(jié)點包含檢波器、采集設(shè)備、無線傳輸設(shè)備、GPS設(shè)備等部分，測線由拖曳車輛牽引。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中部署一定數(shù)量的AP設(shè)備，所有的采集節(jié)點就近接入AP形成無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，所有的AP設(shè)備和中央工作站都接入交換機組成有線傳輸網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ蜑樾切途W(wǎng)絡(luò)，避免了因為采集點的單點故障造成整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的癱瘓。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
中央工作站是網(wǎng)絡(luò)控制的核心，所有的地震采集客戶端都需要連接至中央工作站，中央工作站服務(wù)器系統(tǒng)承擔(dān)著協(xié)調(diào)各個地震采集道進行傳輸和指令控制的功能。
如圖2所示為地震勘探服務(wù)器的總體組成結(jié)構(gòu)，其中采集模塊、指令包解析模塊等都建立在IOCP通信模塊的基礎(chǔ)上；IOCP通信模塊是整個服務(wù)器系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成模塊，IOCP通信模塊主要負(fù)責(zé)進行地震采集道的連接以及地震采集道和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信，本文將主要對IOCP通信模塊的原理和實現(xiàn)進行探索。
2地震勘探網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)
2.1完成端口(IOCP)的通信框架
IOCP（IO Completion Port，完成端口）是一種重疊I/O模型，在微軟引入IOCP之前，服務(wù)器程序的其他設(shè)計方式通常為使用并發(fā)模型，所謂并發(fā)模型是指服務(wù)器在啟動時首先建立監(jiān)聽線程，此監(jiān)聽線程專門用于等待客戶端的連接請求，每當(dāng)有一個新的客戶端連接請求到達時，監(jiān)聽線程將會創(chuàng)建一個新的線程服務(wù)該請求。在響應(yīng)該服務(wù)請求的同時，監(jiān)聽線程將繼續(xù)等待下一個客戶連接請求，即當(dāng)存在多個客戶端連接時，就會存在多個線程每個線程服務(wù)于一個連接。
在通常地震勘探中，采集道的規(guī)模至少在100道以上，大型的勘探系統(tǒng)甚至含有數(shù)萬的采集道。在本文設(shè)計的拖曳式地震勘探系統(tǒng)中，地震道的規(guī)模在100～1 000道之間，中央工作站為4核心的CPU，采集道作為客戶端不斷地對中央工作站發(fā)起網(wǎng)絡(luò)請求，可見，本文設(shè)計的服務(wù)器系統(tǒng)中，客戶端的規(guī)模遠遠大于CPU的核心數(shù)，如果仍然采用并發(fā)模型，服務(wù)器系統(tǒng)的性能將會急劇下降，不僅影響網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃�，也會影響網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣取?
IOCP模型即用來解決并發(fā)模型的缺陷，IOCP是一種特殊的內(nèi)核對象，它用于在異步I/O操作完成時通知應(yīng)用程序。一個IOCP內(nèi)核對象可以和多個設(shè)備對象關(guān)聯(lián)，即IOCP對象可以監(jiān)控多個套接字上的多個網(wǎng)絡(luò)I/O請求。一個IOCP對象會包含四個隊列，即所監(jiān)控設(shè)備的隊列、當(dāng)前所有完成通知的隊列、等待線程隊列、運行線程隊列，如圖3所示。
由圖3可以看出IOCP的工作方式：每當(dāng)針對某個設(shè)備的一個異步1/0操作完成以后，系統(tǒng)會把一個完成通知添加到通知隊列，然后再從等待線程隊列中喚醒一個線程，讓該線程處理完成通知，同時把該線程從等待隊列中轉(zhuǎn)移到運行線程。
2.2基于IOCP模型的服務(wù)器系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.2.1IOCP模型的建立步驟
由前面的論述可知，IOCP模型主要由主線程和工作線程組成，本文在研究IOCP的原理的基礎(chǔ)上分別對IOCP的主線程和工作線程進行設(shè)計，使得服務(wù)器系統(tǒng)能夠滿足地震勘探的要求。
1)主線程設(shè)計
主線程是IOCP模型的主要組成部分，主線程主要完成對IOCP內(nèi)核對象的初始化和綁定等操作。
①創(chuàng)建完成端口
使用IOCP模型的第一步是創(chuàng)建IOCP內(nèi)核對象，在服務(wù)器程序中，調(diào)用CreateIoCompletionPort函數(shù)完成內(nèi)核對象的創(chuàng)建。
②創(chuàng)建工作者線程
工作者線程池由等待線程隊列和運行線程組成，主要用于處理網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)各種異步I/O請求。為了保證線程調(diào)度的高效性，通常將工作者線程池中的線程數(shù)目設(shè)置為CPU數(shù)目的兩倍，任意時刻，一個線程一定位于等待線程隊列或者運行線程隊列，服務(wù)器實現(xiàn)創(chuàng)建工作者線程的函數(shù)為CreateThread。
③創(chuàng)建監(jiān)聽套接字
監(jiān)聽套接字需要完成對地震采集道的監(jiān)聽操作，該監(jiān)聽套接字需要與IOCP內(nèi)核對象進行綁定才能完成監(jiān)聽操作。核心實現(xiàn)代碼為：
2)工作線程設(shè)計
工作者線程池由等待線程隊列和運行線程組成，主要用于處理網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)各種異步I/O請求。在本文設(shè)計的工作者線程中主要完成處理網(wǎng)絡(luò)接收和發(fā)送的請求，線程同步和線程的安全退出的功能。其主要實現(xiàn)如下：
①處理網(wǎng)絡(luò)的接收和發(fā)送
在IOCP模型中，所有的網(wǎng)絡(luò)接收和發(fā)送請求都通過調(diào)用WSARecv和WSASend完成。其主要實現(xiàn)邏輯如下：
在WSARecv和WSASend的函數(shù)參數(shù)中，p _wbuf存儲數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，用來給重疊操作傳遞參數(shù)，p_ol是OVERLAPPED類型的結(jié)構(gòu)體指針，用來在異步I/O操作時傳遞參數(shù)。
②工作線程的安全退出
在關(guān)閉服務(wù)器的時候，需要合理地退出工作線程，并釋放相應(yīng)的Socket資源，從而避免造成內(nèi)存泄露，為此，本文設(shè)計的代碼不采用TerminateThread之類的強制停止線程的函數(shù)，而采用PostQueuedCompletion-Status函數(shù)，通過向完成通知隊列中添加完成通知項，線程在收到完成通知項的通知后退出線程執(zhí)行函數(shù)。關(guān)鍵代碼如下所示：
2.2.2 IOCP模型的運行流程
根據(jù)IOCP的運行和建立步驟，得到如圖4所示的IOCP服務(wù)器模型的主要運行流程，由圖中可以看出，在IOCP的兩種線程模型中，主線程只進行IOCP的初始化連接工作，而工作者線程負(fù)責(zé)處理所有的網(wǎng)絡(luò)10請求操作。
3系統(tǒng)測試
為了驗證本文設(shè)計的IOCP（完成端口）的通信模型的正確性，在已有的地震采集道的基礎(chǔ)上進行了傳輸性能測試。運行WireShark監(jiān)控軟件檢測網(wǎng)絡(luò)傳輸流量，地震采集道的采集頻率設(shè)置為4 kHz，采集時長設(shè)置為10 min，分別采用傳統(tǒng)的“一個客戶端對應(yīng)一個線程”的傳輸模型和IOCP的傳輸模型進行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣葘Ρ葴y試，采用不同傳輸模型的網(wǎng)絡(luò)流量圖的對比如圖5所示。
在圖5中，橫坐標(biāo)代表傳輸時間，單位為s，縱坐標(biāo)表示傳輸速度，單位為Byte，上圖是采用傳統(tǒng)的“一個客戶端對應(yīng)一個線程”的地震勘探傳輸模型方式得到的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度圖，下圖為采用本文設(shè)計的IOCP傳輸模型得到的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度圖，兩者對比可以發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)的傳輸模型得到的傳輸速度慢，并且速度十分不穩(wěn)定，平均速度維持在25 KByte/s，這表明系統(tǒng)耗費了大量的時間在進行線程切換而不是數(shù)據(jù)接收。而在采用IOCP的傳輸模型中，速度是傳統(tǒng)傳輸模型的5～6倍，高達1.6 MByte/s，并且傳輸速度十分穩(wěn)定�？梢钥匆�，采用IOCP模型之后的地震傳輸網(wǎng)絡(luò)在傳輸速度和傳輸?shù)姆�(wěn)定性方面都得到了理想地提高。在
此基礎(chǔ)上進行傳輸?shù)目煽啃则炞C，如圖6所示。
在圖6中橫坐標(biāo)代表采樣時間，單位為s，縱坐標(biāo)代表波形幅度，單位為V，由圖中可得，采用IOCP模型的服務(wù)器系統(tǒng)不僅可以保證可靠的傳輸速度，也可以保證地震波在傳輸過程中不發(fā)生失真，充分驗證了本系統(tǒng)的傳輸可靠性。
4結(jié)論
本文針對制約地震勘探系統(tǒng)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)傳輸問題，設(shè)計了一種基于IOCP模型的服務(wù)器系統(tǒng)，在原有硬件條件不變的情況下，相對于傳統(tǒng)的地震勘探服務(wù)器模型，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度和可靠性得到了理想的提高，可以有效解決目前地震勘探系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)傳輸問題，系統(tǒng)的主要特點為網(wǎng)絡(luò)傳輸高速可靠，符合現(xiàn)代低成本、高效地震勘探的發(fā)展方向。
