新能源監(jiān)控系統(tǒng)海量終端接入技術(shù)研究

馮利虎，易永輝，時(shí) 誼，陳海龍，張玉寶，張 倩，王 剛

(許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

隨著傳統(tǒng)石化能源危機(jī)和環(huán)境污染兩大問題日益嚴(yán)重，大力發(fā)展清潔、可再生新能源已成為世界各國共識。風(fēng)電、光伏作為新型綠色無污染的能源也越來越受到人們的青睞，裝機(jī)規(guī)模及占比在不斷增大[1-4]。

新能源電站建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，特別是大型光伏、分布式光伏電站加速發(fā)展，接入新能源監(jiān)控/集控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量及終端數(shù)量也在不斷增多[5]。如100 MW大型地面光伏電站考慮到光伏區(qū)匯流箱設(shè)備的通信接入，全站設(shè)備數(shù)量將超過2 000臺；同樣監(jiān)控?cái)?shù)百個(gè)分布式光伏站點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控/集控中心，終端設(shè)備的數(shù)量也數(shù)以千計(jì)。常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)的容量及架構(gòu)設(shè)計(jì)已無法滿足新能源領(lǐng)域大量終端的接入需求。

本文介紹了監(jiān)控系統(tǒng)海量終端接入的關(guān)鍵技術(shù)，并給出了具體的實(shí)現(xiàn)方案。

1 海量終端接入關(guān)鍵技術(shù)

針對新能源監(jiān)控系統(tǒng)海量終端接入的需求，必須解決以下兩個(gè)關(guān)鍵問題。

①海量終端接入系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡策略[6-8]。

為了更好地解決因海量終端接入而帶來的一系列高并發(fā)、潮涌式堵塞等問題，需要一種新的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡算法處理網(wǎng)絡(luò)連接問題。在前置服務(wù)器上搭建EPOLL模型，對交互數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[9-10]；增加前置機(jī)調(diào)度模塊，負(fù)責(zé)前置機(jī)和后臺應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理。

②海量終端通信連接管理方法研究。

為了更好地解決目前大量終端接入而帶來的通信連接管理和前置機(jī)模塊資源消耗等問題，研究采用一種新的Socket管理方法。在通信管理機(jī)模塊上采用多線程管理終端以及業(yè)務(wù)服務(wù)器連接，線程內(nèi)以循環(huán)方式管理多個(gè)Socket。

2 實(shí)現(xiàn)方案

2.1 海量終端接入系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡策略

利用現(xiàn)有的集群服務(wù)器技術(shù)，修改針對網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡算法，對并發(fā)連接進(jìn)行合適的分流，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡器上增加客戶端連接的遷移算法，實(shí)現(xiàn)前置機(jī)服務(wù)器的故障遷移和柔性擴(kuò)容；增加前置機(jī)調(diào)度模塊完成報(bào)文準(zhǔn)確下發(fā)到終端，分擔(dān)和緩解前置機(jī)服務(wù)器負(fù)載；在前置機(jī)服務(wù)器搭建EPOLL模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)流處理。該方案可解決海量終端連接時(shí)的高并發(fā)和擁堵的“瓶頸”。

①前置機(jī)調(diào)度模塊。該模塊用于連接后臺應(yīng)用模塊和前置機(jī)集群，主要作用是把前置機(jī)的解析數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的后臺應(yīng)用模塊中；同時(shí)根據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，把下行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確發(fā)送至終端。在本模塊中，保存終端網(wǎng)絡(luò)信息和前置機(jī)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)信息的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖，并響應(yīng)前置機(jī)的關(guān)聯(lián)修改請求。

②前置機(jī)集群。它由N臺相互獨(dú)立、通過高速網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的計(jì)算機(jī)構(gòu)成一個(gè)組，并對單一系統(tǒng)模式加以管理，可以提高服務(wù)器性能、降低成本、提高可擴(kuò)展性、增強(qiáng)可靠性。本方案中采用的是負(fù)載均衡集群。

③網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡器。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡器對終端連接按現(xiàn)有前置機(jī)集群的處理能力進(jìn)行分流，負(fù)載均衡策略按照“閾值輪循+動(dòng)態(tài)負(fù)載反饋”的方法，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)連接吞吐量，加強(qiáng)前置機(jī)數(shù)據(jù)處理能力。在本方案中，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡器中運(yùn)行狀態(tài)機(jī)和前置機(jī)服務(wù)器的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行呼應(yīng)；處理故障時(shí)，Socket的遷移及擴(kuò)容時(shí)前置機(jī)服務(wù)器的負(fù)載分流。

終端數(shù)據(jù)連接如圖1所示。

圖1 終端數(shù)據(jù)連接圖

本方案涉及以下三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

其一，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡器的實(shí)現(xiàn)算法。針對客戶端連接分流均衡算法，先設(shè)定前置服務(wù)器上可連接的客戶端個(gè)數(shù)，將連接請求依次順序循環(huán)地連接到每個(gè)允許連接的服務(wù)器上；當(dāng)連接數(shù)達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，根據(jù)各個(gè)前置服務(wù)器的實(shí)時(shí)負(fù)載情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆峙?。前置服?wù)器的實(shí)時(shí)負(fù)載由位于前置服務(wù)器的性能監(jiān)測軟件經(jīng)過集群間的“心跳”專用線傳輸。另外,采用一定的算法處理故障遷移和擴(kuò)容時(shí)的負(fù)載均衡。

其二，前置服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理算法。在前置機(jī)對數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理時(shí)，采用EPOLL模型。EPOLL模型主要負(fù)責(zé)對大量并發(fā)用戶的請求進(jìn)行及時(shí)處理，完成服務(wù)器與客戶端的數(shù)據(jù)交互。其具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下。

①使用EPOLL_create()函數(shù)創(chuàng)建文件描述，設(shè)定可管理的最大Socket描述符數(shù)目。

②創(chuàng)建與EPOLL關(guān)聯(lián)的接收線程，應(yīng)用程序可以創(chuàng)建多個(gè)接收線程來處理Epoll上的讀通知事件，線程的數(shù)量依賴于程序的具體需要和設(shè)備環(huán)境。

③創(chuàng)建一個(gè)偵聽Socket描述符ListenSock；將該描述符設(shè)定為非阻塞模式，調(diào)用Listen()函數(shù)在套接字上偵聽有無新的連接請求。在 epoll_event結(jié)構(gòu)中設(shè)置要處理的事件類型EPOLLIN，工作方式為epoll_ET，以提高工作效率，同時(shí)使用epoll_ctl()注冊事件，最后啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視線程。

④創(chuàng)建本地文件，對數(shù)據(jù)接收鏈表溢出數(shù)據(jù)進(jìn)行本地緩存。

⑤網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視線程啟動(dòng)循環(huán)，epoll_wait()等待epoll事件發(fā)生。

⑥如果Epoll事件表明有新的連接請求，則調(diào)用accept()函數(shù)，將客戶端Socket描述符添加到epoll_data聯(lián)合體，同時(shí)設(shè)定該描述符為非阻塞，并在epoll_event結(jié)構(gòu)中設(shè)置要處理的事件類型為讀和寫，工作方式為epoll_ET。

⑦如果Epoll事件表明Socket描述符上有數(shù)據(jù)可讀，則將該Socket描述符加入可讀隊(duì)列，通知接收線程讀入數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)放入到接收數(shù)據(jù)的鏈表中。經(jīng)邏輯處理后，將反饋的數(shù)據(jù)包放入到發(fā)送數(shù)據(jù)鏈表中，等待由發(fā)送線程發(fā)送。

其三，前置機(jī)調(diào)度模塊。前置機(jī)調(diào)度模塊保存前置機(jī)攜帶終端IP信息和本機(jī)IP地址的注冊關(guān)聯(lián)表，在下行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，前置機(jī)調(diào)度模塊根據(jù)終端信息，在注冊關(guān)聯(lián)表中找到對應(yīng)的前置服務(wù)器，并把下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆撉爸梅?wù)器上進(jìn)行報(bào)文組裝和下發(fā)。當(dāng)發(fā)生Socket遷移時(shí)，前置機(jī)調(diào)度模塊接收上行的更改命令對注冊關(guān)聯(lián)表進(jìn)行修改。 基于IP的終端設(shè)備發(fā)起連接請求到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡器，由網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡器根據(jù)“閾值輪循+動(dòng)態(tài)負(fù)載反饋”算法將所有的連接請求分發(fā)到前置集群中的各個(gè)前置服務(wù)器，客戶端TCP連接至前置機(jī)分配如圖2所示。

圖2 客戶端TCP連接至前置機(jī)分配圖

分發(fā)的原則是依據(jù)前置服務(wù)器的連接數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)負(fù)載情況，并由各個(gè)前置服務(wù)器和終端建立通信鏈路。Socket客戶端建立后的數(shù)據(jù)流如圖3所示。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡器保存各個(gè)終端的連接信息，并只對鏈路的連接情況進(jìn)行監(jiān)測。

前置服務(wù)器每建立一個(gè)客戶端請求連接，則要在前置機(jī)調(diào)度模塊上注冊相應(yīng)的連接信息。假如終端IP地址為10.100.100.202，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡器分配到IP地址為10.100.100.104的前置服務(wù)器上。在連接請求建立后，前置服務(wù)器把連接信息注冊到前置機(jī)調(diào)度模塊上，即在前置機(jī)調(diào)度模塊上新增IP地址為10.100.100.104和10.100.100.202的關(guān)系對。當(dāng)有上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，經(jīng)前置服務(wù)器解析處理后直接上傳到后臺應(yīng)用模塊；當(dāng)有下行數(shù)據(jù)時(shí)傳輸，由后臺應(yīng)用模塊把待發(fā)送的數(shù)據(jù)和終端信息發(fā)送到前置機(jī)調(diào)度模塊。前置機(jī)調(diào)度模塊根據(jù)終端信息查找到該終端通信的前置服務(wù)器，并經(jīng)由查找到的前置服務(wù)器對數(shù)據(jù)組裝格式化后下發(fā)到相應(yīng)終端。

圖3 客戶端SOCKET建立后的數(shù)據(jù)流向圖

前置服務(wù)器處理連接和數(shù)據(jù)流的具體步驟如下。

①在前置服務(wù)器上建立一定數(shù)量的線程，并由線程池統(tǒng)一管理。

②當(dāng)客戶端進(jìn)行連接時(shí)，由主線程對此連接建立通信并把該客戶端加入到EPOLL監(jiān)視事件中。

③當(dāng)EPOLL監(jiān)測到某連接有可讀事件時(shí)，通知接收線程進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并判斷數(shù)據(jù)接收鏈表長度是否到達(dá)最大值。如果未達(dá)到最大值，把讀到的數(shù)據(jù)插入到鏈表中；否則把讀到的數(shù)據(jù)以本地文件的形式進(jìn)行緩存，并等待文件操作線程處理本地文件。

④數(shù)據(jù)處理線程不斷地從數(shù)據(jù)接收鏈表中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、處理；當(dāng)有下行數(shù)據(jù)命令時(shí)，數(shù)據(jù)處理線程直接把數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)發(fā)送鏈表中等待處理。

⑤數(shù)據(jù)發(fā)送線程檢測到待發(fā)送鏈表中有數(shù)據(jù)時(shí)，從中取出數(shù)據(jù)，經(jīng)由數(shù)據(jù)處理線程組裝格式化處理后，下發(fā)到前置機(jī)調(diào)度模塊進(jìn)行分發(fā)。

本方案針對基于IP端點(diǎn)的海量終端數(shù)據(jù)通信時(shí)的接入“瓶頸”，改進(jìn)采集系統(tǒng)的框架模塊，解決了大規(guī)模連接時(shí)的高并發(fā)和擁堵問題。

2.2 海量終端通信連接管理方法

目前，終端與主站系統(tǒng)的通信建立機(jī)制一般為：主站系統(tǒng)的前置機(jī)模塊與終端建立Socket連接，新建與之對應(yīng)的線程用于Socket的維護(hù)、管理，并處理Socket數(shù)據(jù)收發(fā)；終端斷開連接時(shí)，銷毀與之對應(yīng)的管理線程，回收系統(tǒng)資源。在本方案中，由于每個(gè)終端具有獨(dú)立的IP地址，應(yīng)用服務(wù)平臺和終端將進(jìn)行端到端直接通信，因此前置機(jī)模塊將面臨更大的接入壓力，前置機(jī)模塊管理海量通信鏈路連接的能力和穩(wěn)定性，將嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性和擴(kuò)展性。

為解決該問題，本文采用如下方案。

①終端的多線程分類管理。

通信管理機(jī)每個(gè)線程內(nèi)包含兩個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)組連界棧(預(yù)登陸連接棧和已登錄連接棧)。前置機(jī)模塊采用多線程方式來分類管理所接入的不同類型終端以及其他業(yè)務(wù)服務(wù)器的Socket連接。每個(gè)管理線程可以管理多個(gè)Socket連接。

②管理線程內(nèi)對Socket連接采用循環(huán)管理方式。

登錄成功的終端，依據(jù)終端類型和管理線程的負(fù)載情況分配Socket至最優(yōu)管理線程，存放于預(yù)登陸連接棧中；單個(gè)線程最多能夠管理64個(gè)Socket。若現(xiàn)有線程的Socket管理數(shù)已滿，則新建管理線程；若登錄失敗或是斷開連接，則判定為無效Socket被剔除。各管理線程把Socket信息從預(yù)登陸連接棧取出，并存入已登錄連接棧進(jìn)行處理，檢測各個(gè)Socket是否有事件(數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送)發(fā)生，然后循環(huán)處理各Socket的事件。其關(guān)鍵點(diǎn)在于管理線程內(nèi)循環(huán)處理各個(gè)Socket的事件。

③無效Socket的檢測和剔除。

當(dāng)終端接入時(shí)，首先分配至未注冊管理線程，在規(guī)定時(shí)限內(nèi)完成登錄過程后，依據(jù)終端類型分配Socket至最優(yōu)管理線程，未能完成登錄過程的Socket則視為無效Socket被剔除；前置系統(tǒng)與Socket建立連接后，在各分類管理線程檢測已登錄連接棧中存放的Socket是否正常，剔除無效的Socket(退出登錄或斷線)。

這種連接管理方法的優(yōu)點(diǎn)如下。

①采用終端的多線程分類管理，使得后臺應(yīng)用系統(tǒng)能夠依據(jù)不同類型的終端(其數(shù)據(jù)類型、采集周期、報(bào)文數(shù)據(jù)格式等不同)，采取相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理策略，簡化后臺應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程。這樣便于后臺應(yīng)用系統(tǒng)的升級和改造。

②每個(gè)線程管理多個(gè)Socket，在線程內(nèi)循環(huán)處理數(shù)據(jù)，相比于現(xiàn)有后臺應(yīng)用系統(tǒng)一個(gè)線程對應(yīng)一個(gè)Socket，節(jié)省了系統(tǒng)資源消耗，提升了前置機(jī)模塊在現(xiàn)有后臺應(yīng)用系統(tǒng)下的接入能力。該方法使前置機(jī)模塊更適應(yīng)由于IP通信技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的終端與前置機(jī)模塊直接相連的情況，使得前置機(jī)模塊具有海量終端接入的能力。

在復(fù)雜和惡劣的現(xiàn)場環(huán)境下，終端經(jīng)常發(fā)生斷線等情況，導(dǎo)致Socket失效或斷開。未注冊服務(wù)器管理線程的引入能夠有效篩除無效的Socket，提升系統(tǒng)資源利用率；在終端的分類管理線程內(nèi)檢測到無效Socket需要剔除時(shí)，無需銷毀管理線程，而是從線程已登錄連界棧中刪除對應(yīng)的Socket信息，釋放Socket所占用的資源。這就避免了額外的新建和銷毀管理線程所帶來的資源消耗，提高了終端管理線程的管理效率。

3 結(jié)束語

本文介紹了針對新能源監(jiān)控系統(tǒng)海量終端接入的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，即網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡策略及通信連接管理方法，并在實(shí)際項(xiàng)目中對該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法處理數(shù)千數(shù)萬級別終端接入效果很好，可解決新能源監(jiān)控/集控系統(tǒng)的需求，同時(shí)對具有類似需求的配網(wǎng)自動(dòng)化等領(lǐng)域系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。