CN115086101A - 一种支持海量modbus tcp连接的分布式系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持海量modbus tcp连接的分布式系统及方法，包括设备连接，利用modbus‑tcp设备配置本系统所提供的ip地址与端口以及设备凭证主动连接；数据处理，由modbus‑tcp编解码模块接收并对数据校验处理使保持连接；下发指令，用户通过HTTP接口下发交互指令到设备；信息匹配，通过状态信息路由模块匹配modbus‑tcp编解码器；数据发送，由Modbus‑tcp编解码器将数据编解码发送给设备；结果反馈，通过HTTP接口将结果返回到接口调用方或浏览器。本发明通过广播技术，在分布式系统中通过消息协议，共享连接状态信息，并抽取重要的状态信息，经过路由算法的调度，将无状态的http请求与有状态的tcp连接动态匹配，实现modbus‑tcp设备管理系统的分布式部署，完成负载能力的提升。

Description

一种支持海量modbus tcp连接的分布式系统及方法

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，尤其是一种支持海量modbus tcp连接的分布式系统及方法。

背景技术

在物联网领域相关的解决方案中，尤为重要的部分便是终端设备的接入。而modbus协议已成为物联网领域中事实的、占比最大的数据交换协议标准。在使用modbus协议进行数据交换时，可以选择的通信方式有串口、TCP等方式。由于建立好的TCP连接属于长连接，是有状态的服务，无法像普通的无状态服务随意的建立与销毁连接且不留存连接状态信息，所以目前基于TCP传输modbus协议数据的技术中，普遍存在无法扩展、连接数受单台服务性能限制的问题，无法满足日益增长的modbus-tcp设备的接入需求，为此，本发明提出一种支持海量modbus tcp连接的分布式系统及方法。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：在支持modbus-tcp接入的系统中，除了要满足海量终端设备以TCP方式接入系统并对数据按modbus协议进行编解码外，还需要提供http接口以实现用户或其他应用系统与modbus设备的交互(如读取实时数据或控制)。由于以http协议实现的接口本身是无状态的(即每次的请求的与响应不需要保存当次连接的状态信息)，导致在分布式的系统中，每次的请求与响应都可能不会被相同的节点处理，而modbus-tcp是有状态的长连接，与分布式系统中的某个节点建立的连接会一直存在，此时当用户或外部系统试图通过接口与设备交互时，会存在收到http接口请求的节点和与modbus设备建立连接的节点不是分布式系统中同一节点的情况，如此便会导致交互失败。

为解决上述技术问题，本发明提供一种支持海量modbus tcp连接的分布式系统，所述系统包括，

报文处理模块：将被编解码后的modbus-tcp报文放入分布式消息队列，等待业务处理逻辑获取报文进行处理；

数据录入模块：用于将系统中高频访问与modbus-tcp连接的状态信息录入分布式缓存；

modbus-tcp编解码模块：用于提供TCP端口负责接收设备的连接并将数据进行编解码；

状态信息路由模块：用于将无状态的http接口中的参数与有状态的modbus-tcp连接通过特定机制匹配，确保http接口中的参数能正确下达到指定设备；

设备交互模块：利用HTTP接口作为用户或其它系统与modbus-tcp设备交互的入口；

数据库模块：用于持久化保存modbus-tcp设备的信息和通过modbus-tcp协议上送的消息。

为解决上述技术问题，本发明提供一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法，所述方法包括：

设备连接，利用modbus-tcp设备通过其自身的配置功能，配置本系统所提供的ip地址与端口以及设备凭证主动连接；

数据处理，由modbus-tcp编解码模块接收到连接并对连接中的数据进行校验处理并保持连接；

下发指令，用户通过HTTP接口下发交互指令到设备；

信息匹配，通过状态信息路由模块匹配modbus-tcp编解码器；

数据发送，由Modbus-tcp编解码器将数据进行编解码并发送给设备；

结果反馈，通过HTTP接口将结果返回到接口调用方或浏览器。

作为本发明一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法的一种优选方案，其中：所述设备连接中的设备凭证为本系统生成的32位英文+数字字符串，且要先于modbus-tcp协议报文发送。

作为本发明一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法的一种优选方案，其中：所述数据处理中的校验处理过程包括：获取连接中的设备凭证，并与数据库中进行匹配，如果匹配不上则关闭连接；若匹配成功则为连接生成系统中唯一的会话id，并与设备凭证映射后存放于内存中。

作为本发明一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法的一种优选方案，其中：所述下发指令中的HTTP接口参数，需要包含与系统建立连接的设备凭证，以及系统为设备抽象的设备交互能力，并为每次交互请求生成一个系统中唯一的标识。

作为本发明一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法的一种优选方案，其中：所述信息匹配的处理过程包括：

根据交互标识检查分布式缓存中是否已保存该交互的过期结果；

检查连接状态信息是否在本节点中，并作出相应反馈；

将交互请求发送到分布式消息队列；

启动线程从分布式消息队列中消费交互响应的消息；

将分布式消息队列中的消息返回给http接口。

作为本发明一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法的一种优选方案，其中：所述相应反馈为：

若连接状态信息在本节点中，则进入数据发送阶段；

若连接状态信息不在本节点中，则自动忽略此消息。

作为本发明一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法的一种优选方案，其中：所述节点均设置有不同的消费者组，所述消费者组对消息进行广播。

作为本发明一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法的一种优选方案，其中：所述数据发送还包括：根据modbus-tcp协议规范，将java对象编码为二进制流，并通过tcp发送到设备，同时监听设备的响应，解码为java对象，将响应发送到消息队列，再进行信息匹配获取交互结果。

作为本发明一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法的一种优选方案，其中：所述设备连接中主动连接的设备处于modbus-tcp协议中的slave角色，本系统处于modbus-tcp协议中的master角色。

本发明的有益效果：本发明利用网络中的广播技术，在分布式系统中通过特有的消息协议，共享连接的状态信息，并抽取消息中重要的状态信息，经过路由算法的调度，将无状态的http请求与有状态的tcp连接动态匹配，以实现modbus-tcp设备管理系统的分布式部署和动态横向扩展，满足日渐增大的连接需要，同时本发明可以利用虚拟化部署，节省服务器资源，并且使用容器部署，从而实现弹性伸缩以及快速响应，进而实现灰度部署，无感升级。

附图说明

图1为本发明实施例中一种支持海量modbus tcp连接的分布式系统的结构图；

图2为本发明实施例中一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法的流程图；

图3为本发明实施例中一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法中设备交互的流程图；

图4为本发明中部署的逻辑结构图；

图5为传统方案部署的逻辑结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

参考图1～图4，为本发明的一个实施例，提供了一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法，该方法应用于一种支持海量modbus tcp连接的分布式系统，该系统包括：报文处理模块100：将被编解码后的modbus-tcp报文放入分布式消息队列，等待业务处理逻辑在队列中获取报文进行处理，以实现任何时刻业务逻辑的平滑处理；数据录入模块200：利用分布式缓存的高性能读写与通过网络共享数据的特性，将系统中高频访问与modbus-tcp连接的状态信息录入分布式缓存；modbus-tcp编解码模块300：通过java语言实现的modbus-tcp协议的编解码，提供TCP端口负责接收设备的连接并将数据进行编解码；状态信息路由模块400：用于将无状态的http接口中的参数与有状态的modbus-tcp连接通过特定机制匹配，确保http接口中的参数能正确下达到指定设备；设备交互模块500：利用HTTP接口作为用户或其它系统与modbus-tcp设备交互的入口；数据库模块600：用于持久化保存modbus-tcp设备的信息和通过modbus-tcp协议上送的消息。

在一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法中，一个完整的与modbus-tcp设备交互的处理流程如下：

S1.设备连接：利用modbus-tcp设备通过其自身的配置功能，配置本系统所提供的ip地址与端口以及设备凭证主动连接。

进一步地，所述S1中的设备凭证为本系统生成的32位英文+数字字符串，且要先于modbus-tcp协议报文发送。且主动连接的设备处于modbus-tcp协议中的slave角色，本系统处于modbus-tcp协议中的master角色。

S2.数据处理：由modbus-tcp编解码模块300接收到连接，随后对连接中的数据进行校验处理并保持连接。

较佳的，所述S2中的校验处理过程包括：

a.获取连接中的设备凭证，并与数据库中进行匹配，如果匹配不上则关闭连接；

b.若匹配成功则为连接生成系统中唯一的会话id，并与设备凭证映射后存放于内存中。

S3.下发指令：用户通过HTTP接口下发交互指令到设备。

进一步地，所述S3中的HTTP接口参数，需要包含与系统建立连接的设备凭证，以及系统为设备抽象的设备交互能力(如读取实时温度数据)，并为每次交互请求生成一个系统中唯一的标识。在发起调用的时候会启动一个延时10秒执行的超时任务，将交互指令以超时的结果返回，并将结果放入分布式缓存中。

S4.信息匹配：通过状态信息路由模块400匹配modbus-tcp编解码器。

进一步地，所述S4的处理过程包括：

a.根据交互标识检查分布式缓存中是否已保存该交互的过期结果，所述过期结果为S3中下发交互指令的结果；

b.检查连接状态信息是否在本节点中，如果是则进入S5；

c.如果连接状态信息不在本节点中，则自动忽略此消息；

d.将交互请求发送到分布式消息队列；

e.通过代码自动启动线程，从消息队列中消费交互响应的消息，消息分类为modbus-cmd-resp，通过为每个节点设置不同的消费者组，实现广播效果，保证每个节点均能消费到消息，使消息得到广播；

f.将分布式消息队列中的消息返回给http接口。

S5.数据发送：由Modbus-tcp编解码器将数据进行编解码并发送给设备。

进一步地，所述S5中的编解码数据值获取方法为：根据modbus-tcp协议规范，将java对象编码为二进制流，并通过tcp发送到设备，同时监听设备的响应，将其解码为java对象，将响应发送到消息队列，随后通过所述S4获取交互结果，所述交互包括查询设备温湿度值等，所述交互结果即为设备上的温湿度值。

S6.结果反馈：通过HTTP接口将结果返回到接口调用方或浏览器。

较佳的，所述S6将设备上的值通过异步http接口返回到接口调用方或浏览器执行相应的结果。

实施例2

参考图4～图5，为本发明的另一个实施例，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用数据对比，以科学论证的手段以验证本方法所具有的真实效果。

本实施例对传统部署与本发明部署的真实接入能力进行对比，对比数据请参考如下表格：

	部署方式	连接数量	并发上报	支持动态扩容
					传统	单机	<＝10000	<＝10000	不支持
本发明	集群	理论无限制	理论无限制	支持

根据以上表格中的数据可以得知，传统部署采取单机方式，且对连接数量与并发上报均有一定限制，也无法支持动态扩容，而本发明通过集群部署可以实现动态扩容，并且对于连接数量与并发上报均不设限，可以依据具体需求确定具体数量，通过本发明中技术方案的实施可以摆脱现有技术中对于单一连接的限制，针对性的提供了一种切实有效的解决办法。

在支持modbus-tcp接入的系统中，现有技术的解决方案为控制modbus-tcp连接与http接口为同一节点，即不支持分布式部署，参考附图5为传统方案部署时的逻辑结构，现有技术只能部署单节点，连接性能受单台服务器性能的限制，设备只能连接到单一服务器，而本发明通过利用网络中的广播技术，在分布式系统中通过特有的消息协议，共享连接的状态信息，并抽取消息中重要的状态信息，经过路由算法的调度，将无状态的http请求与有状态的tcp连接动态匹配，以实现modbus-tcp设备管理系统的分布式部署，参考附图4为本发明在部署时的逻辑结构，随着设备数量的增长，可以通过横向扩容服务器的方式完成负载能力的提升。

相比较而言，本发明方法可以实现modbus-tcp设备管理系统的分布式部署和动态横向扩展，满足日渐增大的连接需要，同时本发明可以利用虚拟化部署，节省服务器资源，并且使用容器部署，从而实现弹性伸缩以及快速响应，进而实现灰度部署，无感升级。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种支持海量modbus tcp连接的分布式系统，其特征在于，所述系统包括：

报文处理模块(100)：将被编解码后的modbus-tcp报文放入分布式消息队列，等待业务处理逻辑获取报文进行处理；

数据录入模块(200)：用于将系统中高频访问与modbus-tcp连接的状态信息录入分布式缓存；

modbus-tcp编解码模块(300)：用于提供TCP端口负责接收设备的连接并将数据进行编解码；

状态信息路由模块(400)：用于将无状态的http接口中的参数与有状态的modbus-tcp连接通过特定机制匹配，确保http接口中的参数能正确下达到指定设备；

设备交互模块(500)：利用HTTP接口作为用户或其它系统与modbus-tcp设备交互的入口；

数据库模块(600)：用于持久化保存modbus-tcp设备的信息和通过modbus-tcp协议上送的消息。

2.一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法，其特征在于，所述方法包括：

设备连接，利用modbus-tcp设备通过其自身的配置功能，配置本系统所提供的ip地址与端口以及设备凭证主动连接；

数据处理，由modbus-tcp编解码模块(300)接收到连接并对连接中的数据进行校验处理并保持连接；

下发指令，用户通过HTTP接口下发交互指令到设备；

信息匹配，通过状态信息路由模块(400)匹配modbus-tcp编解码器；

数据发送，由Modbus-tcp编解码器将数据进行编解码并发送给设备；

结果反馈，通过HTTP接口将结果返回到接口调用方或浏览器。

3.根据权利要求2所述的一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法，其特征在于：所述设备连接中的设备凭证为本系统生成的32位英文+数字字符串，且要先于modbus-tcp协议报文发送。

4.根据权利要求2所述的一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法，其特征在于：所述数据处理中的校验处理过程包括：获取连接中的设备凭证，并与数据库中进行匹配，如果匹配不上则关闭连接；若匹配成功则为连接生成系统中唯一的会话id，并与设备凭证映射后存放于内存中。

5.根据权利要求2所述的一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法，其特征在于：所述下发指令中的HTTP接口参数，需要包含与系统建立连接的设备凭证，以及系统为设备抽象的设备交互能力，并为每次交互请求生成一个系统中唯一的标识。

6.根据权利要求2所述的一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法，其特征在于：所述信息匹配的处理过程包括：

根据交互标识检查分布式缓存中是否已保存该交互的过期结果；

检查连接状态信息是否在本节点中，并作出相应反馈；

将交互请求发送到分布式消息队列；

启动线程从分布式消息队列中消费交互响应的消息；

将分布式消息队列中的消息返回给http接口。

7.根据权利要求6所述的一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法，其特征在于：所述相应反馈为：

若连接状态信息在本节点中，则进入数据发送阶段；

若连接状态信息不在本节点中，则自动忽略此消息。

8.根据权利要求6所述的一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法，其特征在于：所述节点均设置有不同的消费者组，所述消费者组对消息进行广播。

9.根据权利要求7所述的一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法，其特征在于：所述数据发送还包括：

根据modbus-tcp协议规范，将java对象编码为二进制流，并通过tcp发送到设备，同时监听设备的响应，解码为java对象，将响应发送到消息队列，再进行信息匹配获取交互结果。

10.根据权利要求8所述的一种支持海量modbus tcp连接的分布式方法，其特征在于：所述设备连接中主动连接的设备处于modbus-tcp协议中的slave角色，本系统处于modbus-tcp协议中的master角色。

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