CN116170524A - 可扩展多线程异步Socket服务器框架系统 - Google Patents

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郑江
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Abstract

本发明公开了一种可扩展多线程异步Socket服务器框架系统，属于Socket服务器网络技术领域，解决了网络数据丢包的出现问题，其技术方案要点是包括由NET线程池统一管理的客户端连接侦听线程、数据包处理线程、以及会话表检测线程，客户端连接侦听线程，循环侦听远程客户端的Socket连接请求，数据包处理线程，循环检测队列中的会话对象，调用该对象的相关方法完成数据包解析、判断类型、数据存储任务；会话表检测线程，循环检查会话表中的各个会话对象，分步骤清理已经超时、无效或异常的会话对象，清理会话对象的缓冲区，释放其Socket资源达到了提高可扩展性能，多线程异步收发数据包，提高效率的效果。

Description

可扩展多线程异步Socket服务器框架系统
技术领域
本发明涉及Socket服务器领域，特别地，涉及一种可扩展多线程异步Socket服务器框架系统。
背景技术
在程序设计与实际应用中，Socket数据包接收服务器够得上一个经典问题了：需要计算机与网络编程知识（主要是Socket），与业务处理逻辑密切关联（如：包组成规则），同时还要兼顾系统运行的稳定、效率、安全与管理等。具体应用时，在满足业务处理逻辑要求的基础上，存在侧重点：有些需要考虑并发与效率，有些需要强调稳定与可靠等等。虽然.NET 2.0 Framework上的IOCP（I/O完成端口）异步技术可以有效解决并发等问题，但完全的异步模式也缺乏一些控制上的灵活性，例如：Socket暂停操作，收发数据导致网络并发崩溃。
多媒体展馆内常见的网络交互展项，由于设备需要进行不定时的开关机，多个设备联动项目必须保持时刻能够对数据进行首发。由于项目现场时常环境复杂，包括多媒体系统集成人员需要对展项进行现场调试的问题决定了必须要用用户数据报协议（udp）的传统连接。
在Internet环境下的Socket应用中，客户端和网络容易出现异常，此时必须释放异常退出的Socket资源。考虑到服务器的高并发能力，一般采取包接收和处理分开的策略：将接收到的包添加到包队列，然后处理队列中的数据包，解决网络数据丢包的出现。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题，可拓展多线程异步socket服务器框架，对网络数据进行优化，主要解决多线程，异步socket和可拓展性三个方面。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种可扩展多线程异步Socket服务器框架系统，包括由NET线程池统一管理的客户端连接侦听线程、数据包处理线程、以及会话表检测线程；
客户端连接侦听线程，循环侦听远程客户端的Socket连接请求，如果存在，通过规范性判断后创建该Socket的客户端会话对象，同时调用该会话对象的Socket异步数据接收方法，接收到的数据包存放在会话对象的包队列中；当新增的对象将添加到会话队列中，该队列表就是清理和处理线程的遍历对象；
数据包处理线程，循环检测队列中的会话对象，调用该对象的相关方法完成数据包解析、判断类型、数据存储任务；
会话表检测线程，循环检查会话表中的各个会话对象，分步骤清理已经超时、无效或异常的会话对象，清理会话对象的缓冲区，释放其Socket资源。
相比于背景技术，本发明技术效果主要体现在以下方面：
1、针对接受网络数据会有专门开发一个单独的线程进行处理，但是弊端就是会造成线程卡死，本框架用侦听远程客户端的连接请求Socket的AcceptAsync异步方法，由.Net线程池统一进行管理，对网络数据进行很好的优化，解决数据包收发遇到的数据丢失问题，对于提升网络的稳定性具有重要意义；
2、在原有的socket服务器框架基础上进行二次重构，针对网络卡顿问题，丢包问题，数据并发以及线程处理提供了一个非常好的解决方案；该方案能够保证网络传输的准确性，避免数据过多造成的网络拥堵。整个框架系统，每秒可以处理60以上的数据包，运行稳定可靠，有较好的并发处理能力。在进行处理数据之后通过序列化把数据压缩，提升传输速度。
本服务器框架既能保证数据的传输正确，不丢包，又能满足系统集成人员的外部配置工作。同时能够提供针对于多屏联动，场景虚拟漫游，串口数据连接的数据收发可实施性，为多项目的网络框架提供稳定兼容的基石。
附图说明
图1为实施例中系统简易结构图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。
开发时在实验室利用定制电脑、服务器、摄像头、较大实验空间、拼接屏、拼接器、触摸查询屏，在前期研发设计阶段，由系统集成人员搭建测试环境，同时算法工程师开发算法，并测试。中期，有程序员、美工、三维人员、实现程序，并对各模块实时测试。后期，由测试人员对系统进行单元测试与整体测试，并交由有现场调试经验的人员在工地现场通过反复测试与提出修改意见，再反复修改测试；在整体测试通过后采用现场实际安装测试调试的方法，在展厅中实际安装，并反复测试系统的功能、稳定性等；
技术路线上采用完全自主研发，软硬件结合开发的方式,具体实时步骤如下：
（1）前期有策划人员对系统功能及交互方式做前期设计工作；
（2）算法工程师对系统中的相关算法设计开发，保证各关键技术完成预定效果；
（3）在设计研发时采用阅读国内外文献，参观设备厂家，与同行技术交流的方式，反复研讨方案可行性，比较各种方案的优劣；
（4）实验室安装阶段，利用设计的设备，由系统工程师安装测试，整个过程要求很高的精度，由设计师实时跟踪检测，安装设备是否符合设计标准，并且随时根据实际情况，修改设计细节。
（5）在机械结构安装好后，并且测试没问题后，由电子工程师配合安装拼接屏。
（6）实验室测试通过后，在展厅现场安装，并通过预开馆期间测试系统长期运行的稳定性。
技术方案的优势效果：
1.使用队列（queue）解决网络并发问题，让程序在开始运行时就启动这个线程去不断地处理任务。
2.对数据进行会话表检测，对超时无效的数据进行缓冲实放，减轻了系统压力。
3.用异步的方式进行数据封装，提升网络数据稳定性。
4.对数据结构与存储方法进行调整二次重构，提高系统兼容性。
系统可拓展性，框架EMTASS的可扩展性体现在类的泛型与抽象设计、方法虚拟和保护等方面。
实施的技术指标：
（1）稳定测试情况：实现单机启动服务器，运行7个客户端程序，3个是干扰源——连续做连接/断开操作，另4个连续发送数据包。解决服务器异常，和数据错误包，达到数据包队列稳定在3以下。
（2）速度：实现服务器用10-50ms的速度发送数据包；
（3）稳定性：针对客户端Demo中包含一个连接后马上断开的连续操作，在这种情况下服务器端不会发现异常。达到四小时以上运行服务器，实现没有发生服务器端异常。
（4）并发性：针对服务器异常等现象，数据包队列上限不超过5。
实施例：
一种可扩展多线程异步Socket服务器框架系统，基于图1可见，基于系统简易示意图中，数据服务器、客户端和负载服务器的连接关系。内部框架包括由NET线程池统一管理的客户端连接侦听线程、数据包处理线程、以及会话表检测线程。
客户端连接侦听线程StartServerListen模型，循环侦听远程客户端的Socket（套接字或套接端）连接请求，如果存在，通过规范性判断后创建该Socket的客户端会话对象TSessionBase，同时调用该会话对象的Socket异步数据接收方法BeginReceive模型，接收到的数据包存放在会话对象的包队列中；当新增的TSessionBase对象将添加到会话队列m_sessionTable中，该队列表就是清理和处理线程的遍历对象；
数据包处理线程CheckDatagramQueue()，循环检测TSessonBase队列中的会话对象，调用该对象的相关方法完成数据包解析、判断类型、数据存储任务；
会话表检测线程CheckSessionTable()，循环检查会话表m_sessionTable中的各个会话对象，分步骤清理已经超时、无效或异常的会话对象，清理会话对象的缓冲区，释放其Socket资源。
在一种示例中：采取了异步接收和发送方式，并封装在TSessionBase类中，包括侦听后异步接收（AcceptAsync()）、数据异步接收（BeginReceive()）、数据异步发送（BeginSend()）。
在一种示例中：还包括有四组类：Socket服务器类、Session会话类、Database数据库类和枚举类型。
Socket服务器类包括服务器泛型类TSocketServerBase和泛型参数。服务器泛型类TSocketServerBase提供统一的对外公开接口和事件。泛型参数定制它们的派生类后可以确定泛型类的具体版本
客户端会话类包括会话核心成员类TSessionCoreInfo和抽象会话类TSessionBase。
数据库类包括抽象数据库基类TDatabaseBase、基类TSqlServerBase、基类TOleDbDatabaseBase。
枚举类型包括会话状态类型TSessioinState、和会话断开类型TDisconnectType。
在一种示例中：框架的事件包括三类：第一，普通事件，如：服务器启动与停止；第二，异常事件，接收与发送数据异常、数据库连接或数据存储异常等；第三，与会话相关事件，如：增加会话对象、接收到一个合法数据包等。异常与会话结合即是会话异常事件。通过泛型委托EventHandler 可以定义类事件。
在一种示例中：根据提供的线程池方法ThreadPool.QueueUserWorkItem模型自动将委托对象添加到系统线程池，客户端连接请求侦听方法StartServerListen模型、数据包队列检查方法CheckDatagramQueue模型和会话表检查方法CheckSessionTable模型均使用循环处理方式，循环条件是m_serverClosed为false；
只有该类的Close模型方法可以中断这三个线程；
在Close模型方法中设置m_serverClosed为true终止线程的同时，对于线程退出的同步情况，此时使用手工事件信号对象ManualResetEvent。
在一种示例中：分步骤的清理线程包括建立会话对象后，在以下三种情况需要终止会话：一、关闭服务器；二、会话异常；三、会话超时。第一种情况将强制终止会话，第二、三种情况需要清理线程终止会话并释放其资源。为防止立即关闭Socket引发的异常，系统分3个步骤完成：1）标记该会话为Invalid，此时停止一切与该会话的处理操作；2）调用Shutdown()方法：Shutdown会话Socket，标记会话状态为Shutdown；3）调用Close()方法：清除会话缓冲区和数据包队列，释放Socket资源，从会话表中删除该对象。具体操作可以参考TSocketServerBase类中的CheckSessionTable()方法。
在一种示例中：系统分三个步骤完成：
步骤一：标记该会话为Invalid，此时停止一切与该会话的处理操作；
步骤二：调用Shutdown模型方法：Shutdown会话Socket，标记会话状态为Shutdown；
步骤三：调用Close模型方法：清除会话缓冲区和数据包队列，释放Socket资源，从会话表中删除该对象。
在一种示例中：事件传递与发布包括TSessionBase类和TDatabaseBase类的事件，都通过服务器类TSocketServerBase对外发布；在创建会话对象或数据库对象时，直接传递其事件给TSocketServerBase的相同委托事件。
在一种示例中：另一线程池中包括：服务器主线程、连接监视主线程和子线程、报文分析器主线程和子线程、客户端访问线程、消息发送线程；
首先客户端请求连接到中心负载服务器，中心负载服务器的连接监视主线程监听这个请求，然后分配一个线程来建立连接，连接监视线程继续监视其他请求，分配的连接线程连接成功后回调返回给主线程，主线程再次分配一个客户端访问线程，用来获取客户端发送的报文，得到报文后交给报文分析器主线程，报文分析器主线程分配一个线程来分析报文，然后继续工作，分配的用来分析报文线程，通过套接字储存找到对应的接收者套接字，从而找到对应的客户端访问线程，然后发送消息报文，所有的线程都是由线程池进行分配和管理的。
在一种示例中：记录和获取数据服务器的负载指数，客户连接管理器，用来监听客户端和数据服务器的连接和接收消息报文，为各个处理分配子线程；负载管理器完成数据服务器的负载均衡处理，主要是循环查询并选择最空闲服务器，同时管理各个数据服务器的记录信息，定时更新。服务器状态记录类，主要是记录服务器工作状态，网络位置以及和负载有关的各数据。通过外部调用方法来更新和读取这些数据。
当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种可扩展多线程异步Socket服务器框架系统，其特征是：包括由NET线程池统一管理的客户端连接侦听线程、数据包处理线程、以及会话表检测线程；
客户端连接侦听线程，循环侦听远程客户端的Socket连接请求，如果存在，通过规范性判断后创建该Socket的客户端会话对象，同时调用该会话对象的Socket异步数据接收方法，接收到的数据包存放在会话对象的包队列中；当新增的对象将添加到会话队列中，该队列表就是清理和处理线程的遍历对象；
数据包处理线程，循环检测队列中的会话对象，调用该对象的相关方法完成数据包解析、判断类型、数据存储任务；
会话表检测线程，循环检查会话表中的各个会话对象，分步骤清理已经超时、无效或异常的会话对象，清理会话对象的缓冲区，释放其Socket资源。
2.根据权利要求1所述的可扩展多线程异步Socket服务器框架系统，其特征是：采取了异步接收和发送方式，并封装在TSessionBase类中，包括侦听后异步接收、数据异步接收、数据异步发送。
3.根据权利要求1所述的可扩展多线程异步Socket服务器框架系统，其特征是：还包括有四组类：Socket服务器类、Session会话类、Database数据库类和枚举类型；
Socket服务器类包括服务器泛型类TSocketServerBase和泛型参数；
客户端会话类包括会话核心成员类TSessionCoreInfo和抽象会话类TSessionBase；
数据库类包括抽象数据库基类TDatabaseBase、基类TSqlServerBase、基类TOleDbDatabaseBase
枚举类型包括会话状态类型TSessioinState、和会话断开类型TDisconnectType。
4.根据权利要求1所述的可扩展多线程异步Socket服务器框架系统，其特征是：框架系统的事件包括三类：第一，普通事件，包括服务器启动与停止；第二，异常事件，包括接收与发送数据异常、数据库连接或数据存储异常；第三，与会话相关事件，包括增加会话对象、接收到一个合法数据包。
5.根据权利要求1所述的可扩展多线程异步Socket服务器框架系统，其特征是：根据提供的线程池方法ThreadPool.QueueUserWorkItem模型自动将委托对象添加到系统线程池，客户端连接请求侦听方法StartServerListen模型、数据包队列检查方法CheckDatagramQueue模型和会话表检查方法CheckSessionTable模型均使用循环处理方式，循环条件是m_serverClosed为false；
只有该类的Close模型方法可以中断这三个线程；
在Close模型方法中设置m_serverClosed为true终止线程的同时，对于线程退出的同步情况，此时使用手工事件信号对象ManualResetEvent。
6.根据权利要求1所述的可扩展多线程异步Socket服务器框架系统，其特征是：分步骤的清理线程包括建立会话对象后，在以下三种情况需要终止会话：一、关闭服务器；二、会话异常；三、会话超时；
第一种情况将强制终止会话，第二、三种情况需要清理线程终止会话并释放其资源。
7.根据权利要求6所述的可扩展多线程异步Socket服务器框架系统，其特征是：系统分三个步骤完成：
步骤一：标记该会话为Invalid，此时停止一切与该会话的处理操作；
步骤二：调用Shutdown模型方法：Shutdown会话Socket，标记会话状态为Shutdown；
步骤三：调用Close模型方法：清除会话缓冲区和数据包队列，释放Socket资源，从会话表中删除该对象。
8.根据权利要求1所述的可扩展多线程异步Socket服务器框架系统，其特征是：事件传递与发布包括TSessionBase类和TDatabaseBase类的事件，都通过服务器类TSocketServerBase对外发布；在创建会话对象或数据库对象时，直接传递其事件给TSocketServerBase的相同委托事件。
9.根据权利要求1所述的可扩展多线程异步Socket服务器框架系统，其特征是：另一线程池中包括：服务器主线程、连接监视主线程和子线程、报文分析器主线程和子线程、客户端访问线程、消息发送线程；
首先客户端请求连接到中心负载服务器，中心负载服务器的连接监视主线程监听这个请求，然后分配一个线程来建立连接，连接监视线程继续监视其他请求，分配的连接线程连接成功后回调返回给主线程，主线程再次分配一个客户端访问线程，用来获取客户端发送的报文，得到报文后交给报文分析器主线程，报文分析器主线程分配一个线程来分析报文，然后继续工作，分配的用来分析报文线程，通过套接字储存找到对应的接收者套接字，从而找到对应的客户端访问线程，然后发送消息报文，所有的线程都是由线程池进行分配和管理的。
10.根据权利要求9所述的可扩展多线程异步Socket服务器框架系统，其特征是：记录和获取数据服务器的负载指数，客户连接管理器，用来监听客户端和数据服务器的连接和接收消息报文，为各个处理分配子线程；负载管理器完成数据服务器的负载均衡处理，主要是循环查询并选择最空闲服务器，同时管理各个数据服务器的记录信息，定时更新。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116743860A (zh) * 2023-08-08 2023-09-12 中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所 一种风洞现场实时数据分布式多线程采集架构

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