CN109309599B - 一种基于路灯硬件平台实现物联网设备高并发通信的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于路灯硬件平台实现物联网设备高并发通信的方法，包括步骤：1)构建路灯设备自定义消息类；2)构建消息的解码器完成缓冲区数据流到设备消息类的转换；3)构建数据流的编码器完成设备消息类到缓冲区数据流的转换；4)通过添加校验处理器完成设备消息的校验；5)通过添加心跳包处理器完成路灯设备在线状态的维护与心跳包的回复；6)通过业务处理器完成设备消息的功能识别与业务分发。本发明采用Netty高性能网络框架，结合路灯设备私有协议构建相关的消息编解码器与各种消息处理器，完成管理平台与路灯硬件平台之间的多连接高并发通信。
Description
技术领域
本发明涉及物联网、网络编程的技术领域，尤其是指一种基于路灯硬件平台实现物联网设备高并发通信的方法。
背景技术
近年来，随着共享单车、共享汽车的兴起，物联网产业呈现出爆发式的增长，万物互联的时代离我们越来越近。与此同时，随着硬件设备的不断增加，对数以万计的硬件设备进行有效、统一的管理成为必须解决的一个问题。而在这个问题中，在面对大量硬件设备单位时间内集中式的通信请求下，如何构建一个支持多连接高并发的网络通信模块是其中的核心问题。
路灯设备作为智慧城市的一个重要节点，也是物联网体系中的重要组成部分。所以如何构建高性能的网络通信模块同样也是路灯管理系统中的关键技术点。目前，对于管理平台与路灯硬件平台间的通信主要有以下两种形式:1)基于Java BIO(阻塞式)的通信模式：数据接收方面，服务端阻塞监听是否有路灯设备连接，如果有则为其分配一个线程，每个路灯设备的连接对应一个线程来进行数据的接收。数据发送方面，采用数据发送线程结合全局消息发送队列的方法完成。2)基于Java NIO(非阻塞式)的通信模式：每个路灯设备的连接被封装成一个通道，底层采用epoll通信模型，使得仅一个线程就可以完成与成千上万个路灯设备间的通信。
总体而言，对于基于BIO的网络通信实现简单，但是由于一个设备对应一个线程，而服务器支持的线程数是有限的，因此无法支持过多路灯设备的连接。另外BIO通信模型是阻塞式的，如果路灯设备没有数据发送到管理平台，则对应的线程会阻塞在数据读取方法上，这造成了大量的线程被阻塞，系统资源浪费严重。对于NIO通信模式，虽然很好的解决了BIO通信模式上的不足，支持多连接高并发。但是其开发过程复杂，开发门槛高，稍有不慎，就会造成难以排查的错误。同时Java NIO类库中还存在许多需要开发人员额外自行处理的错误，比如众所周知的epoll空轮询，如果不对其进行处理，会造成程序进入无限的死循环中，进而系统的资源被耗尽。此外，不管是BIO还是NIO都需要开发人员自行处理TCP的半包、粘包问题，这无形中增大了开发的难度。
本发明提供一种基于路灯硬件平台实现物联网设备高并发通信的方法，采用Netty高性能网络框架，结合路灯设备私有协议构建相关的消息编解码器与各种消息处理器，完成管理平台与路灯硬件平台之间的多连接高并发通信。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于路灯硬件平台实现物联网设备高并发通信的方法，突破传统管理平台与路灯硬件平台间的通信的问题，让开发者能够快速根据设备的私有协议构建高效可用的高性能网络通信模块，从而完成管理平台与路灯设备间稳定的数据交互，通过添加自定义的处理器还能进一步完成如心跳包管理、数据包校验、业务信息分发等后续功能，为上层业务模块的开发提供坚实可靠的基础。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于路灯硬件平台实现物联网设备高并发通信的方法，包括以下步骤：
1)构建路灯设备消息类；
2)构建消息的解码器完成缓冲区数据流到设备消息类的转换；
3)构建数据流的编码器完成设备消息类到缓冲区数据流的转换；
4)通过添加校验处理器完成设备消息的校验；
5)通过添加心跳包处理器完成路灯设备在线状态的维护与心跳包的回复；
6)通过业务处理器完成设备消息的功能识别与业务分发。
在步骤1)中，所述的路灯设备消息类是根据路灯设备的私有协议来构建的一个类，其成员变量包括消息头、消息体和消息尾。其中消息头包括识别码、功能号、包长、设备识别码，消息体指具体的业务信息，消息尾包括校验码和结束码。
在步骤2)中，结合Netty提供的LengthFieldBasedFrameDecoder(帧长度解码器)来构建自定义的消息解码器完成缓冲区数据流到设备消息类的转换。包括以下步骤：
2.1)将自定义的设备消息解码器类继承帧长度解码器类并构建包含最大帧长度、长度数据位偏移量、长度数据位所占字节数、长度调整量、初始跳转字节这5个参数的构造方法，并在构造函数中调用父类同样包含这5个参数的构造方法。
2.2)在自定义的设备消息解码器中重写父类的解码方法。在解码方法中通过调用父类的解码方法将得到不受TCP半包粘包影响的、完整的数据流。
2.3)对数据流进行非空判断，如果为空，说明没有成功收到数据流，则解码方法直接返回空。
2.4)新建路灯设备消息类并将数据流中的信息读取到路灯设备消息类中。按照私有协议的顺序以及各部分规定的字节数依次读取识别码、功能号、包长、设备识别号。之后根据包长构建容纳包体的数组，并将相应长度的数据读取到包体数组中。最后读取校验码和结束码。
在步骤3)中，结合Netty提供的MessageToMessageEncoder(消息转消息编码器)来构建数据流编码器完成设备消息类到缓冲区数据流的转换。包括以下步骤：
3.1)将自定义的数据流编码器类继承消息转消息编码器类并重写编码方法；
3.2)通过内存分配得到一个数据流缓冲区；
3.3)根据私有协议的顺序将传入的路灯设备消息类中的数据写入到数据流缓冲区中。
在步骤4)中，通过添加校验处理器对步骤2)中得到的设备消息对象进行CRC校验，以检验是否正确收到路灯设备发来的数据。若校验错误则抛出异常，断开与路灯设备间的连接，并且不将设备消息对象继续透传，即不执行后续的步骤。
在步骤5)中，通过添加心跳包处理器，对校验通过的设备消息对象进行功能判定，如果是心跳包，则构建回复心跳包发送给路灯设备。之后继续判定该设备是否已在线，如果没有在线，需将其登录注册。登录注册后的设备如果发生掉线，心跳包处理器将会注销该设备。
在步骤6)中，通过业务处理器完成消息的功能识别与业务分发，包括如下步骤：
6.1)在程序初始化的时候创建一个业务线程池；
6.2)在业务处理器中对设备消息对象的功能码进行判定，选择与功能码对应的服务类对象；
6.3)将设备消息对象与对应的服务类对象封装成任务类；
6.4)将封装后的任务类分发到6.1)创建的业务线程池中；
当路灯设备发送的数据到达服务端后，首先通过自定义的设备消息解码器类得到完整的路灯设备消息类对象，然后对该对象进行后续的数据包校验、心跳包回复、业务服务类的分配。业务层的开发人员只需构建相应的业务服务类并为消息指定具体的服务类即可完成后续的业务层开发。当要发送数据包到路灯设备上的时候，只需要根据路灯设备识别码找到对应的通道，通过私有协议构建路灯设备消息类对象，并写入通道中即可。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明首次利用Netty网络框架实现了管理平台与路灯硬件平台间的通信，突破了传统BIO模式和Java原生NIO通信方式上的缺点。
2、本发明通过将消息和服务封装成任务类并分发到业务线程池的方式，提高了通信模块的IO效率，从而提高了整个系统的性能。
3、本发明通过自定义消息编解码器完成路灯设备消息类与缓冲区数据流的相互转换，使得业务层只需面向路灯设备消息类进行开发，实现了业务层和网络层的解耦。
4、本发明方法在管理平台与物联网硬件平台的通信中具有广泛的使用空间，操作简单、适应性强，在提升通信效率上有广阔前景。
附图说明
图1为本发明使用的LengthFieldBasedFrameDecoder(帧长度解码器)类的构造方法参数说明图。
图2为本发明整体的路灯设备数据处理流程图。
图3为部分关键实现代码。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图3所示，为路灯设备连接添加消息的编解码器和各种处理器，是本发明中的关键代码部分。本实施例所提供的基于路灯硬件平台实现物联网设备高并发通信的方法，使用了Netty高性能网络框架搭建管理平台的网络模块，完成与路灯硬件平台间的高效通信，其包括以下步骤：
1)构建路灯设备消息类，其中，所述的路灯设备消息类是根据路灯设备的私有协议来构建的一个类，其成员变量包括消息头、消息体和消息尾。其中消息头包括识别码、功能号、包长、设备识别码，消息体指具体的业务信息，消息尾包括校验码和结束码。
路灯硬件平台数据包结构如下表1所示。
表1路灯硬件平台数据包结构
其中的数字代表有多少个字节，包长占2字节，具体数值指的是包体的长度。
2)结合Netty提供的LengthFieldBasedFrameDecoder(帧长度解码器)来构建自定义的消息解码器完成缓冲区数据流到设备消息类的转换。包括以下步骤：
2.1)将自定义的设备消息解码器类继承帧长度解码器类并构建包含maxFrameLength(最大帧长度)、lengthFieldOffset(长度数据位偏移量)、lengthFieldLength(长度数据位所占字节数)、lengthAdjustment(长度调整量)、initialBytesToStrip(初始跳转字节)这5个参数的构造方法，并在构造函数中调用父类同样包含这5个参数的构造方法。
2.2)在自定义的设备消息解码器中重写父类的解码方法。在解码方法中通过调用父类的解码方法将得到不受TCP半包粘包影响的、完整的数据流。
2.3)对数据流进行非空判断，如果为空，说明没有成功收到数据流，则解码方法直接返回空。
2.4)新建路灯设备消息类并将数据流中的信息读取到路灯设备消息类中。按照私有协议的顺序以及各部分规定的字节数依次读取识别码、功能号、包长、设备识别号。之后根据包长构建容纳包体的数组，并将相应长度的数据读取到包体数组中。最后读取校验码和结束码。
根据图1所示的帧长度解码器参数设置方法，同时结合表1的路灯硬件平台数据包结构，设置maxFrameLength(最大帧长度)为2048，lengthFieldOffset(长度数据位偏移量)为5，lengthFieldLength(长度数据位所占字节数)为2，lengthAdjustment(长度调整量)为8，initialBytesToStrip(初始跳转字节)为0。这样就可以得到路灯硬件平台所发来的一个数据包的完整数据流。然后再经过后续步骤的处理就能得到一个完整的路灯设备消息对象。
3)结合Netty提供的MessageToMessageEncoder(消息转消息编码器)来构建数据流编码器完成设备消息类到缓冲区数据流的转换。包括以下步骤：
3.1)将自定义的数据流编码器类继承消息转消息编码器类并重写编码方法；
3.2)通过内存分配得到一个数据流缓冲区；
3.3)根据私有协议的顺序将传入的路灯设备消息类中的数据写入到数据流缓冲区中。
在重写的编码方法中根据表1所示的路灯硬件平台数据包结构从左到右将各个字段的数据写入到缓冲区数据流里，最后将缓冲区数据流添加到输出列表中。
4)通过添加校验处理器对步骤2)中得到的路灯设备消息对象进行CRC校验，以检验是否正确收到路灯设备发来的数据。若校验错误则抛出异常，断开与路灯设备间的连接，并且不将设备消息对象继续透传，即不执行后续的步骤。
整体的数据流处理过程如图2所示，校验处理器接收到的是路灯设备消息对象。如果包头加包体数据生成的CRC校验码和包尾中的CRC校验码不一致则说明校验错误，整个处理流程到此结束。若校验正确，则继续后续流程。
5)通过添加心跳包处理器，对校验通过的设备消息对象进行功能判定，如果是心跳包，则构建回复心跳包发送给路灯设备。之后继续判定该设备是否已在线，如果没有在线，需将其登录注册。登录注册后的设备如果发生掉线，心跳包处理器将会注销该设备。
在程序初始化时会创建一个Map键值对来维护在线的路灯设备，其中的键为路灯设备的识别码，值为相对应的通道。在收到路灯设备的心跳包消息后，判断Map中是否存在该设备识别码，如果存在说明已经在线。如果不存在，则将设备做登录注册处理，即将心跳包中的设备识别码和对应的通道存到Map中。后续若该路灯设备发生掉线，则将其对应的键值对从Map中移除。
6)通过业务处理器完成消息的功能识别与业务分发，包括如下步骤：
6.1)在程序初始化的时候创建一个业务线程池；
6.2)在业务处理器中对设备消息对象的功能码进行判定，选择与功能码对应的服务类对象；
6.3)将设备消息对象与对应的服务类对象封装成任务类；
6.4)将封装后的任务类分发到6.1)创建的业务线程池中。
由于系统的业务主要是IO密集型，所以将业务线程池的线程数设置为CPU核数的两倍。在本发明中设置为8。
当路灯设备发送的数据到达服务端后，首先通过自定义的设备消息解码器类得到完整的路灯设备消息类对象，然后对该对象进行后续的数据包校验、心跳包回复、业务服务类的分配。业务层的开发人员只需构建相应的业务服务类并为消息指定具体的服务类即可完成后续的业务层开发。当要发送数据包到路灯设备上的时候，只需要在步骤5)中所述的Map键值对里根据路灯设备识别码找到对应的通道，通过私有协议构建路灯设备消息类对象，并写入通道中即可。
综上所述，在采用以上方案后，本发明为管理平台与路灯设备硬件平台间的通信提出了新的方法，将Netty高并发框架用于搭建物联网管理平台网络模块，能够有效提高网络的通信性能，为上层业务模块的开发带来极大的便捷性和可操作性，具有实际推广价值，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于路灯硬件平台实现物联网设备高并发通信的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建路灯设备消息类；
2)构建消息的解码器完成缓冲区数据流到设备消息类的转换；其中，结合Netty提供的帧长度解码器LengthFieldBasedFrameDecoder来构建自定义的消息解码器完成缓冲区数据流到设备消息类的转换，包括以下步骤：
2.1)将自定义的设备消息解码器类继承帧长度解码器类并构建包含最大帧长度、长度数据位偏移量、长度数据位所占字节数、长度调整量、初始跳转字节这5个参数的构造方法，并在构造函数中调用父类同样包含这5个参数的构造方法；
2.2)在自定义的设备消息解码器中重写父类的解码方法，在解码方法中通过调用父类的解码方法将得到不受TCP半包粘包影响的、完整的数据流；
2.3)对数据流进行非空判断，如果为空，说明没有成功收到数据流，则解码方法直接返回空；
2.4)新建路灯设备消息类并将数据流中的信息读取到路灯设备消息类中，按照私有协议的顺序以及各部分规定的字节数依次读取识别码、功能号、包长、设备识别号，之后根据包长构建容纳包体的数组，并将相应长度的数据读取到包体数组中，最后读取校验码和结束码；
3)构建数据流的编码器完成设备消息类到缓冲区数据流的转换；其中，结合Netty提供的消息转消息编码器MessageToMessageEncoder来构建数据流编码器完成设备消息类到缓冲区数据流的转换，包括以下步骤：
3.1)将自定义的数据流编码器类继承消息转消息编码器类并重写编码方法；
3.2)通过内存分配得到一个数据流缓冲区；
3.3)根据私有协议的顺序将传入的路灯设备消息类中的数据写入到数据流缓冲区中；
4)通过添加校验处理器完成设备消息的校验；
5)通过添加心跳包处理器完成路灯设备在线状态的维护与心跳包的回复；
6)通过业务处理器完成设备消息的功能识别与业务分发。
2.根据权利要求1所述的一种基于路灯硬件平台实现物联网设备高并发通信的方法，其特征在于：在步骤1)中，所述的路灯设备消息类是根据路灯设备的私有协议来构建的一个类，其成员变量包括消息头、消息体和消息尾，其中，所述消息头包括识别码、功能号、包长、设备识别码，所述消息体是指具体的业务信息，所述消息尾包括校验码和结束码。
3.根据权利要求1所述的一种基于路灯硬件平台实现物联网设备高并发通信的方法，其特征在于：在步骤4)中，通过添加校验处理器对步骤2)中得到的设备消息对象进行CRC校验，以检验是否正确收到路灯设备发来的数据，若校验错误则抛出异常，断开与路灯设备间的连接，并且不将设备消息对象继续透传，即不执行后续的步骤。
4.根据权利要求1所述的一种基于路灯硬件平台实现物联网设备高并发通信的方法，其特征在于：在步骤5)中，通过添加心跳包处理器，对校验通过的设备消息对象进行功能判定，如果是心跳包，则构建回复心跳包发送给路灯设备，之后继续判定该设备是否已在线，如果没有在线，需将其登录注册，登录注册后的设备如果发生掉线，心跳包处理器将会注销该设备。
5.根据权利要求1所述的一种基于路灯硬件平台实现物联网设备高并发通信的方法，其特征在于：在步骤6)中，通过业务处理器完成消息的功能识别与业务分发，包括如下步骤：
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| GR01 | Patent grant | ||
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