CN101159747A - 一种基于tcp并发多链路的通信系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于TCP并发多链路的通信系统及其方法，其中该系统包括：收发线程组、动态分配链接池、链路状态机、消息接口；收发线程组用于完成链路的数据接收和发送，并根据数据接收和发送的状态改变链路状态机的当前工作状态；动态分配链接池用于管理通信系统与外部网元之间建立的链接；当发送或接收链路数据时，收发线程组通过调用动态分配链接池的服务创建相应的链路，并通过链路状态机登记相应的事件通知的回调服务；链路状态机根据外部网元链路请求的发起、接收情况捕获相应的链路事件，并通过收发线程组的回调服务完成链路数据的发送或接收。本发明提高了系统的并发链接数，提高系统在高并发链接、大数据传输时的处理效率和实时性。
Description
技术领域
本发明涉及电信数据网络通信领域，特别是涉及一种数据通信系统中的对并发多TCP链路的系统及其方法。
背景技术
在目前的基于数据网络的通信系统中，一个网元通常可以划分为通信层和业务层。通信层负责外部网元的接入和消息收发，业务层完成业务逻辑相关的流程处理。而作为电信级的网络通信设备必须具备高效健壮的通信层设施，甚至可以扩展至通信接口机实现网元接入。另外，高并发多连接也是电信级的网络通信设备的必要特性。目前，在数据通信领域对通信层的常见实现方式如图1所示。主机通信层启动后在本地端口启动主线程侦听服务，当外部网元通过TCP三次握手发起连接请求后，主线程创建一个子线程专门处理这个连接请求。这种处理方式虽然可以在一定程度上保证连接的实时处理和并发处理的特性，但最大缺点是不能处理大量连接的情况，当并发连接数超过一定数量后，系统中处于待处理的连接请求就会堆积，系统的处理效率就会大幅降低，甚至导致连接请求的丢失与拒绝服务，因此必须限制接入系统的连接数量。子线程的动态创建和切换需要消耗操作系统的大量资源，当子线程的总数超过一定数量后，系统的反映速度就会明显下降，数据处理实时性就得不到保证。当某条链接上没有数据传输时，这条链接必须保持，处理线程及其调度资源必须保持，因此造成系统资源的浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于TCP并发多链路的通信系统和及其方法，用于解决现有技术中无法很好的实时处理大量并发的TCP链接以及处理空闲TCP链接时的资源浪费的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于TCP并发多链路的通信系统，其特征在于，包括：收发线程组、动态分配链接池、链路状态机、消息接口；
所述收发线程组，用于通过操作系统提供的系统函数调用完成TCP数据包的接收和发送，并根据数据接收和发送的状态改变所述链路状态机的当前工作状态；
所述动态分配链接池，用于管理所述通信系统与外部网元之间建立的链接及相关资源；
所述链路状态机，用于管理所有活动链接的状态，并根据所述活动链接的不同状态，对IO异步事件和所述通信系统的请求做出相应的回调处理；
所述消息接口，为所述通信系统与其它业务处理系统的数据接口，用于完成从上层应用系统获取待发送的数据以及将已接收的数据发送给上层应用系统；
当所述收发线程组发送或接收链路数据时，通过调用所述动态分配链接池的服务创建相应的链路，并通过所述链路状态机登记相应的事件的回调服务；所述链路状态机根据所述外部网元链路请求的发起、接收情况捕获相应的链路事件，并通过所述收发线程组的回调服务完成链路数据的发送或接收。
所述的基于TCP并发多链路的通信系统，其中，当所述收发线程组发送链路数据时，通过调用所述动态分配链接池的服务创建一条客户端链路，并通过所述链路状态机登记所述客户端链路的异步写事件的回调服务；当所述外部网元接收到链接请求时，所述链路状态机捕获所述客户端链路的异步写事件，并通过所述收发线程组的回调服务完成所述客户端链路的数据发送。
所述的基于TCP并发多链路的通信系统，其中，当所述收发线程组接收链路数据时，通过调用所述动态分配链接池的服务创建一条侦听链路，并通过所述链路状态机登记所述侦听链路的异步读事件的回调服务；当所述外部网元发起链接请求时，所述链路状态机捕获所述侦听链路的异步读事件，并通过所述收发线程组的回调服务完成所述侦听链路的数据接收。
所述的基于TCP并发多链路的通信系统，其中，所述收发线程组通过操作系统提供的应用程序接口系统调用完成链路的数据接收和发送。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于TCP并发多链路的通信系统的数据发送方法，其特征在于，该数据发送方法包括步骤：
A1，收发线程组通过调用动态分配链接池的服务创建一条客户端链路，并通过链路状态机登记所述客户端链路的异步写事件的回调服务；
A2，在外部网元接收到链接请求时，所述链路状态机捕获所述客户端链路的异步写事件，通过所述收发线程组的回调服务完成所述客户端链路的数据发送。
所述的数据发送方法，其中，所述步骤A1之前，进一步包括：上层应用系统通过调用消息接口将应用数据包传入所述通信系统。
所述的数据发送方法，其中，所述步骤A2之后，进一步包括：所述收发线程组根据链路数据发送的状态重新向所述链路状态机登记读事件的回调服务。
所述的数据发送方法，其中，所述步骤A2之后，进一步包括：当所述收发线程组发送完整数据包后，通过调用消息接口继续进行下一个数据发送循环。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于TCP并发多链路的通信系统的数据接收方法，其特征在于，该数据接收方法包括步骤：
B1，收发线程组通过调用动态分配链接池的服务创建一条侦听链路，并通过链路状态机登记所述侦听链路的异步读事件的回调服务；
B2，当外部网元发起链接请求时，所述链路状态机捕获所述侦听链路的异步读事件，并通过所述收发线程组的回调服务完成所述侦听链路的数据接收。
所述的数据发送方法，其中，所述步骤B2中，进一步包括：所述链路状态机在操作系统的IO可读事件的驱动下，向所述收发线程组发出读数据的操作请求，所述收发线程组接收该操作请求，并通过调用该操作系统的系统调用从所述侦听链路上读取数据。
所述的数据发送方法，其中，所述步骤B2之后，进一步包括：所述收发线程组根据数据接收的状态重新向所述链路状态机登记读事件的回调服务。
所述的数据发送方法，其中，所述步骤B2之后，进一步包括：当所述收发线程组接收到完整数据包后，将该数据包插入接收队列中，通过调用消息接口通知上层应用系统从该接收队列中读取数据，并进入下一个数据接收循环。
与现有技术相比，本发明所提供的基于TCP并发多链路的通信系统及方法具有如下主要有益技术效果：
能够显著提高通信系统的并发链接数量，在有链接处理空闲状态时，使用有限的线程开销保证整个系统的链接处理的实时性，提高系统在高并发链接、大数据传输时的处理效率和实时性，降低因创建线程处理链接所导致的系统切换的开销，极大的提高了通信系统的稳定性。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1是现有通信系统的功能结构示意图；
图2是本发明通信系统的结构示意图；
图3是本发明链路状态机的状态变迁图；
图4是本发明数据接收流程图；
图5是本发明数据发送流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。
如图2所示，是本发明通信系统的结构示意图。整个通信系统200包括：收发线程组20及其服务接口201、动态分配链接池30、链路状态机40、消息接口50几个模块。通信系统200具有动态分配的连接池、异步IO Multiplexing(输入输出复用)、Link(链路)状态机、预先创建的多收发线程并发处理。
收发线程组20，负责链路上传输的数据消息的接收和发送，以服务接口201对外部网元60提供通信服务，也能够主动对外部网元60发起服务请求。
收发线程组20通过操作系统提供的API(Application Program Interface，应用程序接口)系统函数调用完成TCP数据包的接收和发送。根据数据接收和发送的状态改变链路的约束条件，从而改变链接状态机40的当前工作状态。收发线程组20是由多个线程构成的，每个线程管理动态分配链接池30中的互不相交的一个子集。
链路状态机40和收发线程组20相互影响，配合完成通信系统200的核心功能。
动态分配链接池30，用于管理所有传输链接及其相关资源，包括资源的分配与回收；具体地，管理与外部网元60之间建立的TCP链接。
当外部网元60需要接入到通信系统200中时，外部网元60发起TCP链接请求，收发线程组20从动态分配链接池30中获取可用链接，分配给此次会话。当会话结束后，链接被释放，链接所附的资源也随之释放，动态分配链接池30回收链接资源，供下次分配使用。
链路状态机40，对链路事件做出反应，其输入事件包括操作系统的IO事件通知、收发线程组20的主动触发事件。其输出事件通知到收发线程组20完成具体的收发数据包的动作。
链路状态机40管理所有活动链接的状态，基于活动链接的不同状态，对IO异步事件和通信系统200的主动请求(收发线程组20的主动触发事件)做出相应的回调处理。链路状态机40是通信系统200的核心模块，它的正确性和灵活性将决定通信系统200的处理逻辑的正确性和稳定性。为提高通信系统200的处理性能和并发性，通信系统200采用了异步IO Multiplex的模式，把异步IO事件作为链路状态机40的输入事件，由链路状态机40做出反应，通知收发线程组20完成链路数据的发送和接收。
消息接口50，是通信系统200与其它业务系统之间的数据接口，分为接收队列和发送队列两种。收发线程组20从发送队列中取得输入业务数据，完成向外传输的任务。当收发线程组20从外部网元60读入业务数据后，插入到接收队列中，其它业务系统可以从接收队列中取得业务数据。
具体地，当收发线程组20从传输链路上获得数据后，发送给消息接口50，由上层应用系统取数据消息；当上层应用系统需要传送数据时，把数据发送给消息接口50，由收发线程组20取出发送队列中的消息完成向外发送的过程。
通信系统200在完成数据接收时：
收发线程组20作为主控模块，调用动态分配链接池30的服务，创建一条侦听链接，链路状态机40进入相应状态。
收发线程组20调用链路状态机40的服务，登记这条侦听链路的异步读事件的回调服务。
当外部网元60发起链接请求时，链路状态机40捕获链路读事件，并通过收发线程组20的回调服务完成链路数据的接收。
收发线程组20根据数据接收的状态重新向链路状态机40登记读事件的回调服务。
当收发线程组20接收到完整数据包后，调用消息接口50的服务，通知上层应用从接口队列中读取数据消息。
通信系统200在完成数据发送时：
上层应用系统调用消息接口的服务，将应用数据包传入通信系统200。
收发线程组20作为主控模块，调用动态分配链接池30的服务，创建一条客户端链路，链路状态机40进入相应状态。
收发线程组20调用链路状态机40的服务，登记这条侦听链路的异步写事件的回调服务。
当外部网元60接收到链接请求时，链路状态机40捕获这条侦听链路写事件，并通过收发线程组20的回调服务完成链路数据的发送。
收发线程组20根据数据发送的状态重新向链路状态机40登记读事件的回调服务。
当收发线程组20发送完整数据包后，调用消息接口50的服务，继续下一消息的发送循环。
如图3所示，是本发明链路状态机的状态变迁图，图4是本发明数据接收流程图。
在图3中，
下面结合图2、3，对图4中的数据接收的实现流程描述如下：
步骤S401，收发线程组20调用动态分配链接池30的服务创建一条侦听链路。
步骤S402，动态分配链接池30分配链路相关资源，包括链路类型、链路的本地IP、侦听端口、是否自动重连属性、链路检测时长等。链路状态机40由初始态进入创建态。
步骤S403，判断创建的链接是否成功，如果成功，则转到步骤S404；否则转到步骤S416异常结束。
步骤S404，收发线程组20调用LinkListen操作，输入到链路状态机40，链路状态机40请求操作系统的系统调用完成TCP Socket的创建、绑定和侦听。
步骤S405，链路状态机40进入侦听态，并向操作系统登记链路的IO读事件通知。
步骤S406，外部网元60发起到本通信系统200的TCP链接请求。
步骤S407，操作系统以IO事件通知链接状态机40；链路状态机40判断是否有IO读事件，如果有，则转到步骤S408；否则执行空操作。
步骤S408，链接状态机40进入已连接状态，TCP/IP链路建立。
步骤S409，外部网元60通过链路发送数据消息。
步骤S410，链路状态机40判断操作系统是否有IO可读事件，如果有，则转到步骤S411；否则执行空操作。
步骤S411，链路状态机40在操作系统的IO可读事件的驱动下，向收发线程组20发出读数据的操作请求，该请求可以通过回调函数实现。
步骤S412，收发线程组20调用操作系统的系统调用从链路上读数据。
步骤S413，通信系统200判断读操作是否阻塞，如果阻塞，则转到步骤S414；否则转到步骤S410继续等待IO事件通知。
步骤S414，通信系统200判断读数据是否完成，如果完成，则转到步骤S415；否则转到步骤S412继续读数据。
步骤S415，收发线程组20将完整数据包插入接收队列，完成一次数据接收工作；然后转到步骤S407继续等待IO事件通知，进入下一个数据接收循环。
如图5所示，是本发明的数据发送流程图。结合图2、3详细描述本通信系统的数据发送的实现过程，具体步骤如下：
步骤S501，收发线程组20调用动态分配链接池30的服务创建一条客户端链路；
步骤S502，动态分配链接池30分配链路相关资源，包括链路类型、链路的对端IP、对端服务端口、是否自动重连属性、链路检测时长等；链路状态机40由初始态进入创建态。
步骤S503，判断创建的链接是否成功，如果成功，则转到步骤S504，否则转到步骤S517异常结束。
步骤S504，收发线程组20调用LinkConnect操作，并向链路状态机40输入LinkConnect事件。
步骤S505，链路状态机40进入就绪态。
步骤S506，收发线程组20调用ComnectServer操作，向远端系统特定服务端口发起链接请求，输入到链路状态机40；链路状态机40请求操作系统的系统调用完成TCP Socket的创建、绑定和连接。
步骤S507，链路状态机40进入连接中状态，链路状态机40向操作系统登记链路的IO写事件通知。
步骤S508，操作系统以IO事件通知链接状态机40；链路状态机40判断是否有IO写事件，如果有，则转到步骤S509；否则执行空操作。
步骤S509，链接状态机40进入连接态，TCP链路建立。
步骤S510，收发线程组20判断发送队列是否有待发送消息，如果有，则转到步骤S511；否则继续等待发送数据。
步骤S511，收发线程组20取发送队列头数据。
步骤S512，链路状态机40判断是否有IO可写事件，如果有，则转到步骤S513；否则执行空操作。
步骤S513，链路状态机40激发写操作通知收发线程组20，该操作可以通过回调函数实现。
步骤S514，收发线程组20发送数据包。
步骤S515，链路状态机40判断写操作是否阻塞，如果阻塞，则转到步骤S512继续等待IO事件通知，否则转到步骤S516；
步骤S516，收发线程组20判断是否写操作完成，如果完成，则转到步骤S510进入下一数据发送循环，否则转到步骤S514继续发送数据。
步骤S517，异常结束。
本发明提供了一种通信系统中的管理并发多TCP链路的系统及其实现方法，能够实现大量并发的TCP链接，节省系统资源，并保持数据的传输具有较高的实时性。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (12)
1.一种基于TCP并发多链路的通信系统，其特征在于，包括：收发线程组、动态分配链接池、链路状态机、消息接口；
所述收发线程组，用于通过操作系统提供的系统函数调用完成TCP数据包的接收和发送，并根据数据接收和发送的状态改变所述链路状态机的当前工作状态；
所述动态分配链接池，用于管理所述通信系统与外部网元之间建立的链接及相关资源；
所述链路状态机，用于管理所有活动链接的状态，并根据所述活动链接的不同状态，对IO异步事件和所述通信系统的请求做出相应的回调处理；
所述消息接口，为所述通信系统与其它业务处理系统的数据接口，用于完成从上层应用系统获取待发送的数据以及将已接收的数据发送给上层应用系统；
当所述收发线程组发送或接收链路数据时，通过调用所述动态分配链接池的服务创建相应的链路，并通过所述链路状态机登记相应的事件的回调服务；所述链路状态机根据所述外部网元链路请求的发起、接收情况捕获相应的链路事件，并通过所述收发线程组的回调服务完成链路数据的发送或接收。
2.根据权利要求1所述的基于TCP并发多链路的通信系统，其特征在于，当所述收发线程组发送链路数据时，通过调用所述动态分配链接池的服务创建一条客户端链路，并通过所述链路状态机登记所述客户端链路的异步写事件的回调服务；当所述外部网元接收到链接请求时，所述链路状态机捕获所述客户端链路的异步写事件，并通过所述收发线程组的回调服务完成所述客户端链路的数据发送。
3.根据权利要求1所述的基于TCP并发多链路的通信系统，其特征在于，当所述收发线程组接收链路数据时，通过调用所述动态分配链接池的服务创建一条侦听链路，并通过所述链路状态机登记所述侦听链路的异步读事件通知的回调服务；当所述外部网元发起链接请求时，所述链路状态机捕获所述侦听链路的异步读事件，并通过所述收发线程组的回调服务完成所述侦听链路的数据接收。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于TCP并发多链路的通信系统，其特征在于，所述收发线程组通过操作系统提供的应用程序接口系统调用完成链路的数据接收和发送。
5.一种基于TCP并发多链路的通信系统的数据发送方法，其特征在于，该数据发送方法包括步骤：
A1，收发线程组通过调用动态分配链接池的服务创建一条客户端链路，并通过链路状态机登记所述客户端链路的异步写事件的回调服务；
A2，在外部网元接收到链接请求时，所述链路状态机捕获所述客户端链路的异步写事件，通过所述收发线程组的回调服务完成所述客户端链路的数据发送。
6.根据权利要求5所述的数据发送方法，其特征在于，所述步骤A1之前，进一步包括：上层应用系统通过调用消息接口将应用数据包传入所述通信系统。
7.根据权利要求5或6所述的数据发送方法，其特征在于，所述步骤A2之后，进一步包括：所述收发线程组根据链路数据发送的状态重新向所述链路状态机登记读事件的回调服务。
8.根据权利要求7所述的数据发送方法，其特征在于，所述步骤A2之后，进一步包括：当所述收发线程组发送完整数据包后，通过调用消息接口继续进行下一个数据发送循环。
9.一种基于TCP并发多链路的通信系统的数据接收方法，其特征在于，该数据接收方法包括步骤：
B1，收发线程组通过调用动态分配链接池的服务创建一条侦听链路，并通过链路状态机登记所述侦听链路的异步读事件的回调服务；
B2，当外部网元发起链接请求时，所述链路状态机捕获所述侦听链路的异步读事件，并通过所述收发线程组的回调服务完成所述侦听链路的数据接收。
10.根据权利要求9所述的数据接收方法，其特征在于，所述步骤B2中，进一步包括：所述链路状态机在操作系统的IO可读事件的驱动下，向所述收发线程组发出读数据的操作请求，所述收发线程组接收该操作请求，并通过调用该操作系统的系统调用从所述侦听链路上读取数据。
11.根据权利要求9或10所述的数据接收方法，其特征在于，所述步骤B2之后，进一步包括：所述收发线程组根据数据接收的状态重新向所述链路状态机登记读事件的回调服务。
12.根据权利要求11所述的数据接收方法，其特征在于，所述步骤B2之后，进一步包括：当所述收发线程组接收到完整数据包后，将该数据包插入接收队列中，通过调用消息接口通知上层应用系统从该接收队列中读取数据，并进入下一个数据接收循环。
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