CN103297432B - 一种人工影响天气网络接入服务器运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种人工影响天气网络接入服务器运行方法，所述接入网络包括用户层、业务处理层和数据层，所述的接入服务器通过基于TCP/UDP多协议的方式与人影指挥机或者/和作业客户端进行通信。采用基于TCP—UDP的混合通信协议，大大提高了人工影响天气作业指挥的效率和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及了一种面向气象预警决策指挥的人工影响天气网络接入服务器方法，属于人工影响天气领域。
技术背景
人工影响天气技术是运用云和降水物理学原理，主要采用向云中撒播催化剂的方法，使某些局地天气过程朝着有利于人类的方向转化的一项科学技术措施。又称人工控制天气。是人工降水、人工消云、人工消雾、人工防霜、人工消弱风暴和人工抑制雷电的总称。
近几年来，我国人工影响天气事业得到了快速发展。为了有效开展人工影响天气作业，各地研制了不同类型的业务技术系统。一个具有实际应用价值的人工影响天气指挥系统，通常包括人影指挥机、接入服务器和作业客户端三部分。但是随着人工影响天气技术的发展，其业务涉及面广、环节多、时效性强、技术难度大的特点凸显，建立一个实际业务中可满足不同人影作业要求的实时智能指挥系统具有十分重要的意义。其中，最重要的是需要一个功能强大和时效性强的网络接入服务器，使指挥机和作业客户端能够有效实时、有效、可靠的传输数据。
传统的人工影响天气接入服务器大多采用单一的TCP协议作为传输层协议，虽然能保证传输消息的有序性，但是因为每次连接需要额外开销，而在现阶段人工影响天气指挥系统中，接入服务器转发的指令主要以短消息为主，故单一的基于TCP协议连接方式的接入服务器已经无法适应现在的人影需求。
发明内容
本发明基于以上问题提出一种人工影响天气网络接入服务器运行方法，提出采用新型混合协议的方式，在保持连接的稳定性上来提高数据传输的实时性和有效性。
技术方案
基于以上目的，本发明采用的技术方案是：一种人工影响天气网络接入服务器运行方法，所述接入网络包括用户层、业务处理层和数据层，其特征在于：所述的接入服务器通过基于TCP/UDP多协议的方式与人影指挥机或者/和作业客户端进行通信。
通过消息协议将消息放入接收消息队列或者发送消息队列，再根据消息的请求通过事件多路分离机制将消息放入不同的队列中：即事先建立好这些消息的线程，并在建立的时候让它处于挂起状态，根据消息协议中的数据包类型，将数据包按不同类型放入事先建立好的队列中，然后激活相应的线程来处理队列中的数据包。
所述的不同的队列其包括指令队列、大数据队列，其中将所述的指令队列中的消息通过UDP通道单发或群发给其他作业点客户端或者指挥机；而大数据队列中的消息则通过TCP通道来发送。
所述的用户层，通过在线列表来获取指挥机和作业端的信息，并且能够打开和关闭与指挥机和作业端的连接通道；关闭与指挥机和作业端连接通道步骤为：１）调用自定义的删除客户端函数，将所要关闭的指挥机或者作业端的信息传给该函数，２）该函数以该作业端或者指挥机的IP或者通信Socket为钥匙，查询在线列表中的指挥机或者作业端，找到后关闭服务器与之通信的socket，并释放资源；打开步骤就是：接收指挥机或者作业端的连接请求，并将它们的信息加入到在线列表中。
在所述的大数据传输过程中，通过事件响应机制实现大数据的离线发送和断点续传，具体过程是：转发数据包时，根据所转发的目的客户端ID去查询在线客户端列表，当未找到该客户端ID则视为客户端不在线，触发离线事件，将数据存入数据库中，每当有新的客户端连入时，服务器通过客户端的ID查询数据库,如果有与该客户端相同的ID，就表示有离线文件需要转发给该客户端，然后从数据库中取出消息并转发给该客户端，完成离线传输并且在数据库中删除该数据包；当传送数据被意外中止时，服务器记录下该数据传输的节点信息，将这些信息暂存到数据库中，当该客户端再次上线时，再从数据库取出数据包传给客户端。
在所述的业务处理层，采用对象池和内存池机制来管理系统；具体过程是：在服务器初始化的时候，建立一个SAEA池和内存池，创建监听SOCKET绑定端口，当侦听Socket侦听到有客户端连接时，从SAEA池中取出一个空闲的SAEA分配给客户端，再通过SAEA.SetBuffer函数从内存池中取出一块内存分配给和客户端通信的Socket，开启接收模块，循环接收消息，执行完闭后，断开客户端与服务器的连接，释放SAEA和内存。
在所述的业务处理层，通过心跳包机制定时扫描所有客户端，具体过程如下：服务器每隔一定的时间间隔向在线的客户端发送一个固定消息，客户端在收到该消息后回复一个消息给客户端，这样服务器视客户端还在线；如果在规定的时间内没有收到客户端发来的消息，则视客户端已经离线并且断开客户端的连接。
每当有新的消息进入队列，则通知相应的处理模块去激活工作线程来处理该消息。
所述的数据层采用最小连接数均衡算法为新的请求选择服务器，当有新的客户端连接请求时，根据每台服务器所记录的当前服务器正在处理的连接数量，把该请求分配给连接数最少的服务器。
所述的数据层采用主从数据库模式，具体过程是：将主数据库和从数据库建立复制连接，多个从数据库存储相同的数据样本，将写操作定向到主数据库，将查询操作定向到从数据库，如果主数据库发生故障，则将从数据库定为主数据库，使系统为终端用户提供不间断的网络服务；主数据库恢复工作后，将其转化为从数据库，存储数据副本，继续对终端用户提供数据查询检索服务。
有益效果
本发明具有以下有益效果：
1)采用基于TCP—UDP的混合通信协议，大大提高了人工影响天气作业指挥的效率和可靠性。
2)采用自适应的数据负载均衡和数据存取技术，有利于提高服务器的响应速度和处理数据的能力。
附图说明
图1是本发明的网络连接流程图；
图2是本发明的总体系统组成及部署图；
图3是本发明的业务逻辑层流程图；
图4是本发明的用户层功能模块图；
图5是本发明的业务处理层功能模块图；
图6是本发明的数据层功能模块图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
首先对本发明相关的总体系统工作流程进行阐述。如图2所示，人影指挥系统包括人影指挥机，本发明以及作业点客户端作业点作业人员使用的终端程序在android平台上开发，用智能手机或者平板电脑通过wifi或者3G，GPRS等方式连入本发明。人影业务指挥平台采用ArcGIS地理信息软件平台实时显示作业地区的地图已经作业相关的地理信息，并通过气象局内部网络获取包括雷达图在内的各种实时气象资料，以供指挥人员进行决策。指挥人员通过鼠标操作在地图上选取作业范围并给出必要的参数后，程序自动生成详细作业参数，并将参数通过接入服务器发送给各作业点操作人员。本发明主要负责维护指挥中心和作业点之间的各种业务数据和通讯数据的连接，同时采用多种手段保证网络连接的可靠性与数据包的正确性，并能实时的显示在线的指挥机和作业点的详细信息。
如图3所示，本发明由用户层、业务处理层、数据层共三个部分组成。本发明的主要执行形式是将作业端采集的数据进行快速处理后及时转发给指挥机，再将指挥机形成的决策转发给作业端，完成人影作业。
如图4所示，用户层是基于.Net框架下编写的软件应用程序。用户通过此程序可以方便配置服务器的各种参数，如IP地址、端口号等；也可以通过界面来控制操作作业点和指挥机，通过在线列表来获取指挥机和作业端的信息，并且能够打开和关闭和指挥机和作业端的连接通道；关闭就是调用自定义的DeleteClient函数（删除客户端函数），将所要关闭的指挥机或者作业端的信息传给该函数。该函数以该作业端或者指挥机的IP或者通信Socket为钥匙，查询在线列表中的指挥机或者作业端，找到后关闭服务器与之通信的socket，并释放资源；打开就是接收指挥机或者作业端的连接请求，并将它们的信息加入到在线列表中。通过离线发送和断点续传的操作功能，实现大数据的有效传输；并能对视频通信双方提供通信通道；能操作和管理作业操作日志信息等各种作业信息。
如图5所示，业务处理层采用C#中SocketEventArg（以下统称SAEA）和buffer来构建对象池以及内存池来连接和维持人影指挥端以及作业点之间的海量连接需求。在接收大量客户端连接的同时，很多对象资源诸如连接对象、重叠I/O结构对象、线程以及内存等需要被反复创建和销毁。这样会降低系统的性能和浪费系统的资源。为了避免这种情况发生，我们在这里采用对象池和内存池机制来管理这类资源。SAEA类是微软专为基于.METFramework平台下开发高性能服务器而设计的。该类可以避免在异步socket I/O操作非常多的时候所发生重复的对象分配和同步。如图1所示，首先在服务器初始化时候，建立一个SAEA池和内存池，池中预先设立一些资源。创建监听SOCKET绑定端口，当侦听Socket侦听到有客户端连接的时候，从池中取出一个空闲的SAEA分配给客户端。再通过SAEA.SetBuffer函数（其为通用函数）从内存池中取出一块内存分配给和客户端通信的套接字，用于做数据缓冲区，开启接收模块，循环接收消息，具体接收是通过调用SAEA.Accpetsocket.ReceiveAsync()函数来接收消息，此函数用于异步接收通信socket传来的数据。执行完闭后，断开客户端与服务器的连接，当客户端断开与服务器的通信时，再将SAEA和内存放回池中以做到复用。基于TCP协议来建立维持指挥机和服务器、作业点和服务器的长连接。通过心跳包机制定时扫描所有客户端。本系统的心跳包机制是这样定义的：服务器每隔五分钟向在线的客户端发送固定消息，客户端在收到消息后回复一个固定消息给客户端，这样服务器视客户端还在线，如果在规定的时间内没有收到客户端发来的消息，则视客户端已经离线并且断开客户端的连接来及时释放资源来维护网络连接。通过建立消息队列调度器，根据事件多路分离和分发机制，将接收到的消息通过消息队列采用FIFO方式分配到不同的处理模块。当接受到客户端消息时，通过消息协议来解析消息。然后根据消息的类型分派到不同的队列如：单发队列（单独转发给某一个特定的客户端），组播队列（转发给多个客户端），存储队列（需要暂存到服务器本地数据库的数据包）（有些大文件需要多次接收合并再一并发出）。根据不同的消息队列将其通过采用FIFO方式分配到不同的处理模块。使消息队列做相应的处理。每当有新的消息进入队列，则通知相应的处理模块去激活工作线程来处理该消息。通过事件响应机制，实现大数据的离线发送和断点续传。事件是将事件发送者（触发事件的对象）与事件接受者（处理事件的方法）相关联的一种代理类，即事件机制是通过代理类来实现的。当一个事件被触发时，由该事件的代理来通知（调用）处理该事件的相应方法。C#中事件响应机制的工作过程如下：将实际应用中需通过事件机制解决的问题对象注册到相应的事件处理程序上，表示今后当该对象的状态发生变化时，该对象有权使用它注册的事件处理程序；当事件发生时，触发事件的对象调用该对象所有已注册的事件处理程序。本发明具体过程是：转发数据包时，根据所转发的目的客户端ID去查询在线客户端列表。当未找到该客户端ID则视为客户端不在线，触发离线事件，将数据（转发的消息、客户端ID和上下文等）存入数据库中，每当有新的客户端连入时，服务器通过客户端的ID查询数据库,如果有与该客户端相同的ID，就表示有离线文件需要转发给该客户端。然后从数据库中取出消息并转发给该客户端，完成离线传输并且在数据库中删除该数据包；当传送数据被意外中止时，服务器记录下该数据传输的节点信息（传输数据包的ID，传输对象也就是客户端的ID，接下来所要传输的数据包），将这些信息暂存到数据库中，当该客户端再次上线时，再从数据库取出数据包传给客户端。
对于本发明，首先介绍的是网络通信模块。本发明通过预先建立SAEA池和Buffer池给客户端提供维持TCP连接的资源。接收客户端连接并发出连接通知，然后调用登陆模块的验证函数——根据消息协议，解析收到客户端发送来的消息。将消息中的客户端ID和密码与系统数据库中的ID和密码进行匹配验证。如果相同则建立连接；反之主动断开连接释放TCP连接通道。本发明将连入的客户端状态及客户端对应的上下文信息都存入数据库中，通过心跳包机制定时扫描在线列表中的所有客户端，发现用户掉线或者长时间连接而不发送请求服务的，发出事件通知并主动断开连接释放资源。
其次，本发明的业务处理模块是本发明的核心模块，包括消息协议，消息队列，事件多路分离机制。本发明通过消息协议将消息放入接收消息队列或者发送队列，再根据消息的请求通过事件多路分离机制将消息放入指令队列、大数据队列、格式转换队列等。所述的事件多路分离机制的实现过程如下：事先建立好这些消息的线程，并在建立的时候让它处于挂起状态，根据消息协议中的数据包类型，根据数据包的不同类型放入事先建立好的队列中，然后激活相应的线程来处理队列中的数据包。上述所述的指令队列中的消息通过UDP通道单发或者群发给其他作业点客户端或者指挥机保证短消息发送的及时性并减少消息发送的开销。而大数据队列中的消息则通过TCP通道来发送。当客户端请求视频连接时，本发明为双方建立通道，同时保持和双方的TCP连接。当消息转发的客户端不在线时触发离线事件，将数据（转发的消息，该客户端ID等上下文）存入数据库中。每当有新的客户端连入本发明时，系统都会从数据库中查找是否与该客户端相匹配的ID，如果有则从数据库中取出消息并转发给该客户端。
如图6所示，最后阐述本发明的数据层模块。本发明的数据库服务器则分为主数据库服务器和从属数据库服务器，他们之间建立复制连接，主数据库服务器与多台从属数据库服务器之间可以进行数据同步，从属服务器还可以对主服务器上的一些关键数据进行备份存储，以支持部分信息的容错功能。由于在人工影响天气作业指挥过程中，一般对数据库进行查询操作多于修改、添加操作。当人影指挥机进行登录、作业指挥、历史日志查看等查询操作时，接入服务器将根据负载均衡器的决策情况，从主数据库和从属数据库服务器中选择某台服务器作为操作对象；当进行用户注册、系统设置等添加、修改操作时，负载均衡器则会定向的从主数据库服务器中进行数据操作。
数据层采用负载均衡技术（Load Balancing），根据最小连接数调度算法(LeastConnection Scheduling)为新的请求选择服务器。最小连接数均衡算法对内部中需负载的每一台服务器都有一个数据专门记录当前该服务器正在处理的连接数量，当有新的客户端连接请求时，即把该请求分配给连接数最少的服务器。而后端采用主从数据库模式保证数据的安全性和可靠性。将主数据库和从数据库建立复制连接，多个从数据库存储相同的数据样本，实现数据冗余，提供容错功能。将写操作定向到主数据库，将查询操作定向到从数据库。如果主数据库发生故障，则将从数据库定为主数据库，使系统为终端用户提供不间断的网络服务；主数据库恢复工作后，将其转化为从数据库，存储数据副本，继续对终端用户提供数据查询检索服务。
Claims (6)
1.一种人工影响天气网络接入服务器运行方法，接入网络包括用户层、业务处理层和数据层，其特征在于：所述的接入服务器通过基于TCP/UDP多协议的方式与人影指挥机或者/和作业客户端进行通信；通过消息协议将消息放入接收消息队列或者发送消息队列，再根据消息的请求通过事件多路分离机制将消息放入不同的队列中：即事先建立好这些消息的线程，并在建立的时候让它处于挂起状态，根据消息协议中的数据包类型，将数据包按不同类型放入事先建立好的队列中，然后激活相应的线程来处理队列中的数据包；在大数据传输过程中，通过事件响应机制实现大数据的离线发送和断点续传，具体过程是：转发数据包时，根据所转发的目的客户端ID去查询在线客户端列表，当未找到该客户端ID则视为客户端不在线，触发离线事件，将数据存入数据库中，每当有新的客户端连入时，服务器通过客户端的ID查询数据库,如果有与该客户端相同的ID，就表示有离线文件需要转发给该客户端，然后从数据库中取出消息并转发给该客户端，完成离线传输并且在数据库中删除该数据包；当传送数据被意外中止时，服务器记录下该数据传输的节点信息，将这些信息暂存到数据库中，当该客户端再次上线时，再从数据库取出数据包传给客户端；所述的数据层采用最小连接数均衡算法为新的请求选择服务器，当有新的客户端连接请求时，根据每台服务器所记录的当前服务器正在处理的连接数量，把该请求分配给连接数最少的服务器；所述的数据层采用主从数据库模式，具体过程是：将主数据库和从数据库建立复制连接，多个从数据库存储相同的数据样本，将写操作定向到主数据库，将查询操作定向到从数据库，如果主数据库发生故障，则将从数据库定为主数据库，使系统为终端用户提供不间断的网络服务；主数据库恢复工作后，将之前转化为主数据库的从数据库转化为从数据库，存储数据副本，继续对终端用户提供数据查询检索服务。
2.根据权利要求1所述的一种人工影响天气网络接入服务器运行方法，其特征在于：所述的不同的队列其包括指令队列、大数据队列，其中将所述的指令队列中的消息通过UDP通道单发或群发给其他作业客户端或者指挥机；而大数据队列中的消息则通过TCP通道来发送。
3.根据权利要求１所述的一种人工影响天气网络接入服务器运行方法，其特征在于：所述的用户层，通过在线列表来获取指挥机和作业客户端的信息，并且能够打开和关闭与指挥机和作业客户端的连接通道；关闭与指挥机和作业客户端连接通道步骤为：１）调用自定义的删除客户端函数，将所要关闭的指挥机或者作业客户端的信息传给该函数，２）该函数以该作业客户端或者指挥机的IP或者通信Socket为钥匙，查询在线列表中的指挥机或者作业客户端，找到后关闭服务器与之通信的socket，并释放资源；打开步骤就是：接收指挥机或者作业客户端的连接请求，并将它们的信息加入到在线列表中。
4.根据权利要求１所述的一种人工影响天气网络接入服务器运行方法，其特征在于：在所述的业务处理层，采用对象池和内存池机制来管理系统；具体过程是：在服务器初始化的时候，建立一个SAEA池和内存池，创建监听SOCKET绑定端口，当侦听Socket侦听到有客户端连接时，从SAEA池中取出一个空闲的SAEA分配给客户端，再通过SAEA.SetBuffer函数从内存池中取出一块内存分配给和客户端通信的Socket，开启接收模块，循环接收消息，执行完闭后，断开客户端与服务器的连接，释放SAEA和内存。
5.根据权利要求１所述的一种人工影响天气网络接入服务器运行方法，其特征在于：在所述的业务处理层，通过心跳包机制定时扫描所有客户端，具体过程如下：服务器每隔一定的时间间隔向在线的客户端发送一个固定消息，客户端在收到该消息后回复一个消息给服务器，这样服务器视客户端还在线；如果在规定的时间内没有收到客户端发来的消息，则视客户端已经离线并且断开客户端的连接。
6.根据权利要求1所述的一种人工影响天气网络接入服务器运行方法，其特征在于：每当有新的消息进入队列，则通知相应的处理模块去激活工作线程来处理该消息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20201118 Address after: 210044 No. 219 Ningliu Road, Jiangbei New District, Nanjing City, Jiangsu Province Patentee after: Nanjing University of Information Science and Technology Address before: 221300 No.22, Fumin Road, Pizhou high tech Industrial Development Zone, Xuzhou City, Jiangsu Province (in Pizhou high tech Zone New Energy Technology Research Institute Co., Ltd.) Patentee before: Jiangsu Xinda environmental remote sensing Big Data Application Research Institute Co.,Ltd. |
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Effective date of registration: 20210928 Address after: 210000 room 401-74, floor 4, building D4, No. 15, Wanshou Road, Jiangbei new area, Nanjing, Jiangsu Patentee after: Nanjing Zhongke Huaxing emergency Technology Research Institute Co.,Ltd. Address before: 210044 No. 219 Ning six road, Jiangbei new district, Nanjing, Jiangsu Patentee before: Nanjing University of Information Science and Technology |
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Denomination of invention: A method for artificially influencing the operation of a weather network access server Effective date of registration: 20220811 Granted publication date: 20161026 Pledgee: China Construction Bank Corporation Nanjing Jiangbei new area branch Pledgor: Nanjing Zhongke Huaxing emergency Technology Research Institute Co.,Ltd. Registration number: Y2022320000458 |
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Date of cancellation: 20230830 Granted publication date: 20161026 Pledgee: China Construction Bank Corporation Nanjing Jiangbei new area branch Pledgor: Nanjing Zhongke Huaxing emergency Technology Research Institute Co.,Ltd. Registration number: Y2022320000458 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A Method of Artificial Weather Impact Network Access Server Operation Effective date of registration: 20230901 Granted publication date: 20161026 Pledgee: China Construction Bank Corporation Nanjing Jiangbei new area branch Pledgor: Nanjing Zhongke Huaxing emergency Technology Research Institute Co.,Ltd. Registration number: Y2023980054864 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |