（计算机科学与技术专业论文）基于ace框架的并发消息总线的研究与设计.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 逸乙丢 日期： 羔! ! 呈孝盈堡旦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅j 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：讼三五 导师签名：幽 日期- 一坦墨垒3 因丝星 日期：j 盟上4 一 北京邮电大学硕士学位论文基于a c e 框架的并发消息总线的研究与设计 基于a c e 框架的并发消息总线的研究与设计 摘要 消息中间件是中间件的一个重要分支，它为分布式应用系统的 开发提供了一个异步、松耦合的编程架构，其思想与现代软件技术的 发展趋势相吻合，因而在工业界被广泛地应用于企业应用整合和分布 式计算。 消息总线是消息中间件的一种简单实现，但以其独特的优势为各 种分布式应用的开发注入了强大的动力，极大地推动了应用系统集成 的发展。消息总线主要负责建立网络通信的通道，其优点在于能够在 客户和服务器之间提供同步和异步的通信机制，适用于需要在多个进 程之间进行通信的分布式环境，而且容易实现跨平台操作，为不同操 作系统上的应用软件集成提供服务。因此，基于消息总线的上层应用 就可以专注于具体业务逻辑的设计与开发，从复杂的网络通信处理中 解放出来，简单而且高效的实现分布式可扩展的应用系统。 本论文中主要对消息总线服务器中涉及的两个关键问题一并发 模型和内存管理机制进行深入研究，设计提出了基于a c e 并发服务 组件的多线程并发模型和池式内存分配方案，并在消息总线m t b u s 系统的设计中得到应用。 第一章概述部分对于a c e 通信框架和中间件及消息总线技术做 个总体的介绍，之后介绍了基于消息总线架构的移动智能网网管系 统，总结了目前该系统中消息总线存在的缺点，指出了m t b u s 系统 设计的出发点。 第二章总体上阐述了m t b u s 系统的设计目标和功能定义，并对 系统总体设计进行了介绍。m t b u s 系统在结构上包含两个部分，消 息服务器和客户端a p i 。消息服务器实现客户端消息的转发、名字信 息管理、消息监控和消息流持久化等功能。客户端a p i 对底层网络通 信进行了封装，为上层应用提供了同步和异步通信的接口。 第三章详细介绍了m t b u s 系统服务器子系统的各个核心模块的 设计和实现，包括通信消息、底层通信模块、名字信息管理模块、消 息池管理器以及消息处理模块。 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 北京邮电人学硕士学位论文基于a c e 框架的并发消息总线的研究与设计 第四章阐述了对m t b u s 系统设计中三个难点技术的研究，并提 出了相应的解决方案。服务器并发模型采用半同步半异步的结构， 采用具有优先级的消息池作为排队层，采用多线程反应器作为异步层 组件，结合池式内存管理，实现了高处理性能、高稳定性的设计目标。 第五章对m t b u s 系统性能进行整体的测试，同时阐述了m t b u s 系统在网管系统中的应用和存在的一些局限。 此外，消息总线系统m t b u s 所采用的客户端a p i 与已有的消息 总线m r b 保持一致的接口，因此已有的基于m r b 的应用可以平滑 的迁移到m r b m t b u s 系统上。目前，该系统已经在移动智能网网管 系统和彩铃业务质量评价系统中得到应用，现网使用反馈进一步说明 了m t b u s 系统具有较高的并发处理能力，有效的防止了由于消息通 信集中导致的消息爆发所带来的消息传输失败的情况。同时，m t b u s 系统服务器提供了丰富的操作维护功能，可以帮助用户更好的控制和 管理通信过程。 关键词：消息总线，并发模型，线程池，半同步半异步模型，领导者 跟随者模型，内存池 北京邮电人学网络与交换技术国家重点实验室 北京邮电大学硕士学位论文基于a c e 框架的并发消息总线的研究与设计 s t u d ya n dd e s i g no fac o n c u r r e n tm e s s a g e b u sb a s e do na c ef r a m e w o r k a b s t r a c t m e s s a g eo r i e n t e dm i d d l e w a r e ( m o m ) i sa ni m p o r t a n tb r a n c ho f m i d d l e w a r ea n di tp r o v i d e sa na s y n c h r o n o u s ，l o o s e l yc o u p l e df r a m e w o r k f o rd i s t r i b u t e da p p l i c a t i o ns y s t e m s i n c ei t sm e t h o de m b o d i e st h et r e n d s o fm o d e ms o f t w a r et e c h n o l o g y , i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt oe n t e r p r i s e a p p l i c a t i o ni n t e g r a t i o na n dd i s t r i b u t e dc o m p u t i n gi nm a n yf i e l d s m e s s a g eb u s ( m b ) ，w i t hi t su n i q u ea d v a n t a g e s ，h a ss i g n i f i c a n t l y a c c e l e r a t e dt h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e da p p l i c a t i o ns y s t e mb yi n j e c t i n g ap o w e r f u ld r i v i n gf o r c ei n t oi t i ti sm a i n l yu s e dt oe s t a b l i s ht h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o nc h a n n e la n di t s s t r o n gp o i n t i st h a ti tc a np r o v i d e s y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s ma m o n gt h e c l i e n t sa n dt h es e r v e r s i t sa p p l i c a b l et od i s t r i b u t e de n v i r o n m e n to f m u l t i - p r o c e s s c o m m u n i c a t i o na n di s v e r yc a p a b l e o f f u l f i l l i n g c r o s s - p l a t f o r mo p e r a t i o nt os u p p o r ta p p l i c a t i o n s o f t w a r e r u n n i n g o n d i f f e r e n t o p e r a t i n gs y s t e m s i n s o m u c h ，m b f r e e st h ea d v a n c e d a p p l i c a t i o n sb a s e do ni t f r o mt h ec o m p l e x i t yo fn e t - c o m m u n i c a t i o n p r o c e s s i n ga n de n a b l e st h e mt oc o n c e n t r a t eo np r a c t i c a ll o g i cd e s i g na n d d e v e l o p m e n ts oa st oa c h i e v et h ep u r p o s e so fs i m p l i c i t y , e f f i c i e n c ya n d e x t e n s i b i l i t yi nad i s t r i b u t e de n v i r o n m e n t t h i sp a p e ri sm a i n l yf o c u s e do nt w ok e yp r o b l e m so fm bs e r v e r ； m e ya r ec o n c u r r e n c ym o d e la n dm e m o r ym a n a g e m e n t w ed e s i g na m o d e lw h i c hi sb a s e do na c ec o n c u r r e n ts e r v i c ec o m p o n e n t sf o rp r o c e s s s y n c h r o n i z a t i o na n di n t r o d u c eat e c h n i q u ef o rm e m o r y - p o o la s s i g n m e n t a n dp u tt h e mi n t op r a c t i c ei nt h ed e s i g no fam b s y s t e mt h a ti sm t b u s c h a p t e rig i v e sf i r s tag e n e r a lv i e wo ft h ea c ec o m m u n i c a t i o n 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 3 北京邮电大学硕十学位论文 基于a c e 框架的并发消息总线的研究与设计 f r a m e w o r ka n dm e s s a g em i d d l e w a r et e c h n o l o g y , t h e ni ti n t r o d u c e st h e m o b i l ei n t e l l i g e n tn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mw h i c hi sb a s e do nm b a r c h i t e c t u r e t h ed i s a d v a n t a g e so ft h es y s t e ma n dt h ed i r e c t i o n f o r d e s i g n i n ga nm t b u ss y s t e ma r ea l s oc o n c l u d e di nt h i sc h a p t e r c h a p t e ri ie x p o u n d si ng e n e r a lt h ea i m sa n dt h ef u n c t i o nd e f i n i t i o n s o fm 旧b u ss y s t e ma n di t sd e s i g n c h a p t e ri i ii n t r o d u c e si nd e t a i lt h ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h e s y s t e m sc o m p o n e n t si n c l u d i n gt h e i rc o m m u n i c a t i o nm e s s a g e ，m a c h i n e c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，n a m ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tm o d u l e ，m e s s a g e p o o lm a n a g e m e n ta n dm e s s a g ep r o c e s sm o d u l e c h a p t e ri vd e s c r i b e st h r e ek e yt e c h n i q u e st od e s i g n i n ga nm t b u s s y s t e ma n dt h e i rs c h e m e s c h a p t e rvs h o w st h e t e s tr e s u l t so fm t b u ss y s t e m so v e r a l l p e r f o r m a n c ea n dp o i n t so u ti t ss h o r t c o m i n g si nt h ep r a c t i c eo f w e b m a n a g e m e n ts y s t e m i na d d i t i o n ，m t b u ss y s t e md e s i g n e dt h ec o n s i s t e n ti n t e r f a c e si n c l i e n ta p i sw i t hm i 迅s y s t e m ，s ot h ea p p l i c a t i o nw h i c hb a s e do nm i 也 s y s t e mc a ns m o o t hm i g r a t i o nt om t b u ss y s t e m 。n o w , t h es y s t e mh a s b e e nu s e di nm o b i l ei n t e l l i g e n tn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e ma n dc r b t s e r v i c eq u a l i t ye v a l u a t i o ns y s t e m t h ea p p l i c a t i o nf e e d b a c kh a sf u r t h e r p r o v e dt h a tm t b u ss y s t e mh a sh i g hc o n c u r r e n tp r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e s a n dc a np r e v e n tt h em e s s a g ef l o o de f f e c t i v e l y m e a n w h i l em t b u ss e r v e r p r o v i d e sm a n ym a i n t e n a n c ef u n c t i o n s ，w h i c hc a nh e l pu s e r sc o n t r o la n d m a n a g et h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s s e sb e t t e r k e yw o r d s ：m e s s a g eb u s ， c o n c u r r e n t m o d e l ，t h r e a d p o o l ， h a l f - s y n c h a l f - a s y nm o d e l ，l e a d e r f o l l o w e rm o d e l ，m e m o r yp o o l 4 北京邮电大学嘲络与交换技术国家重点实验室 北京邮电大学硕士学位论文基于a c e 框架的并发消息总线的研究与设计 前言 2 0 世纪9 0 年代以来计算技术逐步进入以网络为中心的新时期，用户迫切 希望在网络上建立更为丰富的分布式客户服务器应用；不仅实现数据共享，而且 支持知识共享和各类计算资源的共享：并能实现包括整个企业在内的各个层次的 协同工作。为适应上述需求，分布式软件系统迅速成为研究者和用户关注的热点 技术，成为计算技术发展的一个主流方向 分布式软件系统( d i s t r i b u t e ds o f t w a r es y s t e m s ) 是支持分布式处理的软件系统。 是在由通信网络互联的多处理机体系结构上执行任务的系统，包含任意个数的系 统进程和用户进程，需要实行某种全系统范围的控制，以便提供动态的进程间的 合作和运行时间的管理。与传统的集中式计算系统比较，分布式系统表现出以下 优势【l l ： 1 通过并行处理可以提高系统的性能。 2 通过模块化技术可以提高系统的伸缩性。 3 通过动态配置和重新配置功能可以提高系统的可扩展性。 4 通过资源共享可以提高系统的性能价格比。 5 客户与服务器松耦合，容易实现分层和抽象。 在分布式系统中，为了解决大型应用系统中集成性和可扩展性之间的矛盾， 中间件技术应用而生。 中间件是软件中介于在应用层和网络层之间的一个功能层次使应用系统独 立于由异构的操作系统、硬件平台与通信协议组成的底层环境【2 】。中间件已经成 为分布式计算的关键性基础软件，有了中间件以后，就可以更方便地开发、运行 和管理分布式应用系统中间件技术的发展已经日渐成熟并且出现了不同层 次、不同类型的中间件产品。通常将中间件分为6 类，分别是消息中间件、交易 中间件、数据访问中间件、对象中间件、远程过程调用中间件和终端访问屏蔽 转换中间件。本文首先介绍中间件技术及消息中间件的概念，然后重点介绍一个 应用于移动智能网网管系统中的消息总线系统，对消息总线系统中的关键问题进 行了研究，并设计了相应的解决方案。 一概述 1 - ，u ，l l 二 1 1a c e 通信框架 a c e ( a d a p t i v ec o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t ) 是用于构建高性能网络化应用 和下一代中间件的开放源码工具包，也是可自由使用、开放源码的面向对象( o o ) 框架( f r a m e w o r k ) ，它实现了许多用于并发通信软件的核心模式【3 1 。a c e 提供了 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室7 北京邮t l z 人学硕l ：学位论文箍于a c e 框架的并发消息总线的研究与没汁 一组丰富的可重用c + + 包装外观( w r a p p e rf a c a d e ) 和框架组件，可跨多种平台 完成通用的通信软件任务，其中包括：事件多路分离和事件处理器分派、信号处 理、服务初始化、进程间通信、共享内存管理、消息路由、分布式服务动态( 重) 配置、并发执行和同步等等。 1 1 1a c e 组织结构 a c e 不只是一个类库。它是一个强大的、面向对象的应用工具包。为了分 离关系、降低复杂度、允许功能模块的划分，a c e 工具包的设计采用了分层架 构，图1 1 是a c e 框架体系结构图。 图1 1a c e 框架结构图 该框架包含以下组成部分【4 】： 1 o s 适配层 该层直接驻留在用c 写成的本地o sa p i 之上。它提供轻型的类p o s i xo s 适 配层，将a c e 中的其他层及组件和以下与o sa p i 相关联的平台专有特性屏蔽开 来： 1 1 并发和同步：a c e 的适配层封装了用于多线程、多进程和同步的o sa p i 、 进程间通信( i p c ) 和共享内存。a c e 的适配层封装了用于本地和远地i p c 、 以及共享内存的o sa p i 。 2 ) 事件多路分离机制：a c e 的适配层封装了用于对基于i o 、定时器、信号 和同步的事件进行同步和异步多路分离的o sa p i 。 3 ) 显式动态链接：a c e 的适配层封装了用于显式动态链接的o sa p i 。显式 动态链接允许在安装时或运行时对应用服务进行配置。 4 ) 文件系统机制：a c e 的适配层封装了用于操作文件和目录的o s 文件系统 a p i 。 2 c + + 包装外观层 a c ec + + 包装提供了许多与a c eo s 适配层一样的特性。但是，这些特性是 采用c + + 类和对象、而不是独立的c 函数来构造的，包括并发和同步组件，i p c 和文件系统组件，内存管理组件等。 3 框架层 a c e 还包含一个高级的网络编程框架，集成并增强了较低层次的c + + 包装外 8 北京i i i l j l u 人学m 络j 交换技术陶家曩点实验室 北京邮电大学硕十学位论文基于a c e 框架的并发消息总线的研究与设计 观。该框架支持将并发分布式服务动态配置进应用。a c e 的框架部分包含以下组 件： 1 ) 事件多路分离组件：a c er e a c t o r ( 反应器) 和p r o a c t o r ( 前摄器) 是可扩展 的面向对象多路分离器，它们分派应用专有的处理器，以响应多种类型的基于 i o 、定时器、信号和同步的事件。 2 ) 服务初始化组件：a c ea c c e p t o r ( 接受器) 和c o n n o c t o r ( 连接器) 组件 分别使主动和被动的初始化任务与初始化一旦完成后通信服务所执行的应用专 有的任务去耦合。 3 ) 服务配置组件：a c es e r v i c ec o n f i g u r a t o r ( 服务配置器) 支持应用的配 置，这些应用的服务可在安装时和或运行时被动态装配。 4 ) 分层的流组件：a c es t r e a m 组件简化了像用户级协议栈这样的由分层服 务组成的通信软件应用的开发。 4 网络化服务和组件 提供一些完整的、可复用的服务，包括配置服务，命名服务和日志服务等。 1 1 2a c e 的优势 a c e 框架设计的初衷是提供一个可移植、高性能且高度面向对象的应用程 序开发包，推动高性能、实时分布式对象计算框架的发展。因此a c e 在设计上 充分考虑到了编写网络通信程序中所面临的种种问题，并运用模式和面向对象的 方法，提供了优雅的解决方案。a c e 工具包的使用，为开发者带来如下优势【5 】： 1 简化网络编程的复杂度 网络编程中需要开发者考虑网络时延、字节序、数据结构布局以及网络的 不稳定性和性能等问题，a c e 提供了许多优秀的框架和模式实现，对这些烦杂 的编程细节进行了封装，从而使开发者能够从复杂的底层通信处理中解放出来， 更好的关注于上层应用的开发。 2 提供了安全易用的接口封装，降低出错率 大多数系统提供的a p i 都是按照ca p i 编写的，ca p i 是一种弱类型的低 级的a p i ，而且不同平台对这些a p i 的实现和呈现方式存在差异，因此为开发和 调试都带来了困难。a c e 采用强类型c + + 语言实现，对不同平台的低级a p i 进 行封装，对用户提供了安全易用的接口，有效的降低了编程出错的概率。 3 提供了丰富的框架、模式和组件，提高开发效率 a c e 包含了网络开发中常用的一些框架、模式和组件，实现了规范的控制流 和对象协作，从而提供了版完成的应用。这些框架赋予了开发者大规模复用软件 的能力，从而简化了基于框架构建应用的复杂度。 4 可移植性强 目前a c e 可以运行在大部分的p c s 上如w i n d o w 、l i n u x 、d e b i a n 等，也可 运行在大部分的u n i x 系统上，如s u n o s4 xa n ds o l a r i sh p u x d i g i t a lu n i x ( c o m p a qt r u 6 4 ) ，a i x 也可以运行在大多数实时操作系统上。 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室9 北京邮电大学硕士学位论文基于a c e 框架的并发消息总线的研究与设计 5 开放源码 a c e 属于开源软件，个人可以免费的用于研究和学习，企业可以在遵守g p l 协议的前提下很容易的使用a c e 框架构建商业应用。 本论文就是借鉴和使用了a c e 框架提供的丰富而且功能强大的模式和组 件，构建了一个高性能并发服务总线。 1 2 中间件技术及消息总线 1 2 1 中间件介绍 中间件( m i d d l e w a r e ) 是一个独立的软件层，它提供平台和系统之间的通用 服务，具有标准的程序接口和协议，从而避免了应用系统与具体平台之间的紧耦 合。中间件位于系统层和应用层之间，它向下屏蔽掉硬件平台或操作系统平台的 差异，向上为应用层操作提供一个统一的程序接口和协议，应用层的开发基于该 接口进行实现不同硬件和操作系统平台上的数据共享和应用互操作。在具体实 现上，中间件是一个用a p i 定义的分布式软件框架，具有强大的通信能力和良 好的可扩展性，如图1 2 所示中间件与应用软件的区别在于：中问件的设计充分 考虑了通用性，并提供了标准化的程序开发接口a p i ，能够被其他软件所调用和 进行二次开发。 应用层 中闻层 ”o s 屡 图1 - 2 中间件应用系统模型图 中间件服务的三个作用： 1 提供独立与平台的a p i ，使应用系统能在多种平台上运行。 2 提供一些高层服务，将网络和分布式系统中大部分复杂性屏蔽掉。 3 将一些常用功能组合成独立的部件，使之能在跨平台的软件环境上共享。 4 中间件产品可以降低开发成本，提高工作效率。 1 2 2消息中间件 1 0 消息中间件( m o m ：m e s s a g eo r i e n t e dm i d d l e w a r e ) 主要通过消息传递来完 北京邮电人学网络与交换技术国家重点实验室 北京邮电大学硕：仁学位论文基于a c e 框架的并发消息总线的研究与设计 成分布式计算环境下数据和控制的处理。它提供一个完整的处理环境，允许开发 者及用户连接不同系统之间的数据和代码，或采用一致的界面进行应用处理的互 联【6 1 。 应用程序 操作系统功能 图1 - 3 消息中间件的功能模型 图1 3 描述了消息中间件的功能模型，从垂直角度来看，消息中间件功能 很好的衔接了用户应用程序和基础通信机制。从开发者的角度看，消息中间件将 不同分布式环境很好的封装起来，对外提供统一的接口，使得应用和业务能通过 统一接口进行协作。m o m 的功能主要包括：消息队列、触发器功能、传递消息、 安全性控制、数据广播、基于成本的路由功能以及调试和管理功能等。 消息中间件在建立大型的分布式应用中比较常见，其主要的通信模式是广 播订购( p u b l i s h s u b s c r i b e ) 和点到点( p e e r - t o - p e e r ) 方式 7 1 。基于消息中间件 的应用程序不需要与通信介质( 或网络) 以及远程应用程序之间耦合，不需要考 虑分布式应用之间通信的复杂性，从面向物理连接转向面向应用，从复杂的底层 通信中解放出来更好的关注于业务。 本文所研究的消息总线属于消息中间件的一种简单实现，采用点到点通信 模型和按名通信的机制实现分布式应用之间基于消息的通信。消息总线结构上包 含两个部分：一部分是应用程序编程接口，提供一套底层通信函数库，主要实现 底层通信的细节；另一部分是一个消息服务器，主要提供消息队列管理、消息投 递、消息路由以及一些扩展的调试和管理功能。 1 3 移动智能网网管系统中消息总线的应用 1 3 1移动智能网网管系统介绍 智能网网络管理域作为t m n ( t e l e c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tn e t w o r k ) 管 理框架下的1 3 个网络管理域之一嗍，具有独特的网络管理单元。对移动智能网 的管理，包括对移动智能网中的智能网设备、设备上驻留的功能实体及所支持的 移动智能业务等的管理，所涉及的管理功能包括拓扑管理、配置管理、故障管理、 性能管理及操作维护。 移动智能网中需要被管理的智能网设备有：s c p 、s m p 、v c s d p 、i p 及s s p 。 移动智能网中需要被管理的功能实体有：s c f 、s 、s r f 、s s f 。 北京邮电大学网络与交换技术国家零点实验室1 1 北京邮电大学硕卜学位论文基于a c e 框架的并发消息总线的研究与设计 移动智能网的建设是在现有g s m 网基础上增加s s p 、s c p 、s c e p 、s m p 、 s m a p 、充值中心等功能实体而实现的。因此，移动智能网网管系统也纳入g s m 网管系统中去。 移动智能网网管系统，简称i n m s ( i n t e l l i g e n tn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m ) ， 图l - 4 是i n m s 系统组网结构图： 图1 - 4 移动智能网网管系统组网结构图 移动智能网网管功能一般具有以下几个部分： 1 1 拓扑管理 网络管理系统通过配置文件或人机界面的输入来获取拓扑信息，以拓扑图、 地理树状图等多种表现方式反映管辖范围内移动智能网设备的设置、网络结构和 拓扑连接。 2 ) 配置管理 可通过多种方式，如基于拓扑图、地理树状图等，查询本省范围内的移动智 能网设备、设备上驻留的功能实体及在网上开展的移动智能业务的相关配置信 息； 当移动智能网的设备、功能实体或所开展的移动智能业务发生配置改变时， 网管系统会获得相应的配置改变信息，实现管理信息的自动更新。 3 1 告警管理 网管系统能够实时地反映移动智能网中的告警。网管系统能够支持告警风暴 控制，故障分析定位。网管系统能够支持对当前及历史告警信息的查询，并以标 准的格式向用户提供告警的相关信息。 支持对告警上报条件的设置，可要求被管系统只上报满足告警上报条件的告 警。告警上报条件可根据发出事件的被管理实体的类型、被管理实体、事件类型、 告警严重程度、告警原因及它们的组合来确定。 4 1 性能管理 通过网管系统能够开启或取消对移动智能网设备的c p u 、硬盘、信令链路、 1 2北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 北京邮电大学硕士学位论文基于a c e 框架的并发消息总线的研究与设计 信令链路组、以及s c f 、s s f 、s r f 等功能实体的性能采集。性能数据采集周期 应不小于3 0 分钟。 可查询历史性能数据。可根据一定的查询条件查询用户所关心的性能数据。 查询条件可根据产生性能数据的网元或实体、性能数据产生时间、性能参数等来 定义。 可对c p u 负荷、硬盘剩余空间百分数、信令链路负荷及信令链路组不可用 率设置门限值，当性能数据越门限时，网管系统能够接收到性能告警，并实时反 映性能告警。 5 1 ) 操作维护管理 应用软件日志查询，日志备份，日志删除；各模块的进程级操作维护；系统 启动功能：包括启动、停止和主备切换；开启禁止信令链路、信令配置、信令监 视等；特定应用的管理，包括：业务管理，运行管理，数据管理，呼叫管理，用 户管理，统计管理，局数据维护，流量控制等。 1 3 2基于消息总线的系统架构 移动智能网网管系统按照t m n 规范建议，采用管理者代t 里( m a n a g e r a g e n t ) 模型，各代理系统与分布式的被管网元紧耦合，与管理者实体通过消息进行通信， 从而构成了一个基于消息总线的分布式架构。 图1 5 移动智能网网管系统内部结构图 i n m s 系统是一个基于消息总线m r b ( m e s s a g er e q u e s tb r o k e r ) 的分布式 系统。m r b 是一种消息总线系统的简单实现，从结构上包含两个部分：一部分 是消息总线服务器m r b s e r v e r ，负责客户端消息的转发；另一部分是一套客户端 应用程序a p i 。从图1 5 给出的i n m s 系统内部结构图可以看出，消息总线服务 器m r b s e r v e r 是整个系统内部通信的枢纽，在系统中充当了重要角色。一方面， 它为各个分布式代理系统如s c p n e 、s m p n e 、i p n e 等与管理者实体如p f m 、 c c o n f i g 、r e g i s t e r 等之间通信负责消息转发；另一方面它也作为管理者实 体间通信的一种方式，负责转发或群发管理者实体的通信消息，如c o n f i g 至t o p o 、 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室13 北京邮电大学硕士学位论文 基于a c e 框架的并发消息总线的研究与设计 a l a r m 至g u i 。此外，消息总线服务器提供了一些扩展的调试和管理功能，如查 看在线客户端的信息，跟踪通信消息流、强制断开某个客户端的连接等。 此外，i n m s 系统中所有应用进程都作为m r b s e r v e r 的客户端，采用m r b 所提供的客户端应用程序a p i 编程，降低了开发的难度，提高了开发的效率，而 且各个应用进程之间松耦合、模块化，可以独立编译和调试。 1 3 3消息总线m r b 应用分析 在i n m s 系统中，消息总线m r b 不仅在架构上处于核心位置，而且其提供 的管理功能和开发接口，极大的提高了i n m s 系统的可扩展性和维护性，发挥了 重要的作用。但是由于m r b 在前期的功能定位比较简单，导致总线服务器 m r b s e r v e r 在处理性能和功能上表现出了以下缺点： 1 并发度不够 并发度是网络服务器编程中最重要的一个因素，也是服务器性能最重要的一 个指标。它指的是在同一时间内服务器所能提供服务的能力。在i n m s 系统中许 多管理功能都采用周期性轮询的方式实现，目前普遍使用的三个周期是1 5 分钟、 3 0 分钟和6 0 分钟。所以往往在一个周期到达的某- n ，多个管理者实体进程向 所有代理进程发送管理请求，如性能指标的采集等，之后所有代理进程回复应答。 所有管理请求和应答都通过m r b 通信，而且往往必须在几分钟以内完成，所以 通信模式表现出了很强的爆发性，对m r b s e r v e r 的并发处理能力提出了较高的要 求。而目前m r b s e r v e r 在实现上采用基于操作系统同步事件多路分离机制的服务 器模型，该模型以一种“连续”而且“有序”的方式对事件源中事件进行循环检查并 做出反应，而且单线程处理，所以这种并发机制在本质上依然是一种循环式的， 随着系统规模的扩大，m r b s e r v e r 的并发度低将经常导致管理者实体等待超时或 代理进程不断发送超时。 2 不提供消息优先级支持 由于m r b s e r v e r 在设计上采用了单线程反应式服务器模型，因此服务器内部 不对消息做任何排队或缓冲处理，因此没有能力提供对消息的优先级处理。而实 质上，系统内部所处理的消息从本质上讲是有轻重缓急的，在服务性能恶化时服 务器应该保证高优先级的消息先被处理。 3 维护和管理功能有限 目前m r b s e r v e r 仅仅提供了消息转发和一些基本的维护功能，随着消息总线 应用的不断深入和系统规模的不断扩大，需要在功能上不断增强，如消息持久化 存储、多机方案和消息路由等。 由于以上问题的存在，极大的限制了消息总线m r b 在网管系统及同类分布 式系统中的应用能力。本文将从服务器并发模型与功能改造两方面，采用a c e 开源框架实现一个消息总线m t b u s 系统，来进一步增强分布式应用的性能和功 1 4北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 北京邮电大学硕士学位论文基于a c e 框架的并发消息总线的研究与设计 能。 m t b u s 系统总体设计 消息传输总线系统( m e s s a g et r a n s m i tb u s ，以下简称m t b u s ) 是消息总线 的一个简单实现，主要为基于管理和代理模式的多个分布式应用之间进行面向消 息的通信提供底层通信支持和基于消息的应用层通信机制。可以被广泛的应用在 基于消息通信的分布式应用系统中如移动智能网业务质量评价与监控系统、移动 智能网网管系统等。m t b u s 系统以已有的消息总线组件m r b 为原型，采用优秀 开源框架a c e 进行架构，在功能上做了扩展和增强，在性能上做了很大优化。 2 1 系统设计原则 消息传输总线m t b u s 主要面向于移动智能网支撑系统中基于消息通信的分 布式系统，致力于提供一个高效、强大的通信框架，使得业务层的开发可以从复 杂的底层网络通信中解放出来。从实际应用来看，系统往往采用管理者代理者 模型，如基于t m n 模型的i n m s 系统，在应用层采用基于一定时间粒度的轮询 处理策略和请求应答的通信模式，所以通信具有集中性、突发性。而且，近年 来随着移动业务系统管理要求的逐步提高，系统网元规模越来越大但系统采用的 时问粒度越来越小，这就对底层通信组件的效率和性能提出了更高的要求。 因此，m t b u s 系统在设计中必须遵循如下几个原则： 1 高性能。这是由m t b u s 系统上层应用特点和系统结构决定的。m t b u s 系统是由一个中央消息处理服务器和若干分布式客户端构成，因此当系 统规模很大时，中央消息处理服务器的处理性能就必须很高。而且，由 于m t b u s 系统的在已有的应用中表现出的消息流是一种猝发的相对集 中的消息流，所以该系统就必须有较高的处理效率，才能保证消息在服 务端不至于阻塞或丢失。 2 高可靠性。由于m t b u s 系统系统是作为电信级支撑系统中底层通信组件 的，所以必须具有电信级的可靠性，保证7 * 2 4 小时的不问断运行，在架 构设计上必考虑系统整体的容灾能力，确保系统可靠运行。 3 高可扩展性。m t b u s 系统的模块设计需考虑到通用性和扩展性，将公共 功能模块组件化，增加软件复用性。一方面客户端a p i 必须要支持全面 的通信控制能力，为用户提供多种方式的调用接口；另一方面，服务器 端采用面向对象思想和优秀的模式去架构，使得各个组件和处理都可以 模块化、松耦合，特别是在增加新的消息处理任务时采用插件式方式增 加。 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室1 5 北京邮电大学硕士学位论文基于a c e 框架的并发消息总线的研究与设计 4 高可维护性。m t b u s 系统具有较高可维护性，提供完善的操作维护命令 和接入方法，可以便捷的对系统进行在线维护和升级。同时，m t b u s 系 统服务器需要实现一些管理功能，如消息流的实时监控、消息的持久化 服务等。 5 与已有产品的兼容性。m t b u s 系统设计的初衷是提供一个高性能的通信 服务总线，取代已有的m r b 组件，因此在设计中必须要考虑与已有产品 的兼容性问题，通过面向接口编程机制实现与已有系统的无缝集成。 6 高可移植性。目前电信网内设备和平台逐步多样化，因此各类应用都必 须具备高度可移植性。m t b u s 系统需要支持主流u n i x 和l i n u x 系统。 2 2 系统主要功能 m t b u s 系统的主要功能如下： 1 消息转发功能 消息转发功能是消息总线基本的也是最重要的功能。m t b u s 系统中的消息 转发存在两种情况，一种是点到点消息转发，应用在大多数较为常见的应用进程 通信中，如e l i e n t a ，向注册在同一个消息服务器m t b u s s e r v e r l 上的c l i e n t b 发 送消息，此时消息流向是从c l i e n t a 到m t b u s s e r v e r l ，然后由m t b u s s e r v e r l 直 接转发给e l i e n t b 。另一种情况是端到端的通信，这种情况下，通信的两个客户 端不在同一个消息服务器上，此时需要两个服务器之间进行一次消息前转服务， 如c l i e n t a 注册在m t b u s s e r v e r l 上，c l i e n t b 注册在m t b u s s e r v e r 2 上，当c l i e n t a 向c l i e n t b 发送消息时，消息流向是：从c l i e n t a 到m t b u s s e r v e r l ，然后由 m t b u s s e r v e r l 前转到m t b u s s e r v e r 2 ，然后由m t b u s s e r v e r 2 转发给目的端 c l i e n t b 。 2 消息流实时监控功能 采用消息总线做底层通信组件最大的好处就是可以对整个系统内的通信进 行一些集中的控制，如消息流的实时监控就是其中很典型的应用。 消息流实时监控功能属于消息总线服务器子系统具备的管理功能之一。用户 通过服务器命令端e l ( c o m m a n dp o r t ) 登陆服务器后，可以发出一些监控请求。从 应用来看，m t b u s 系统必须具备按照源端、目的端或者源端目的端，或者任务 号进行有选择消息流监控和解除监控的功能。 3