基于IOCP的遠程屏幕監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：利用Windows提供的完成端口(IOCP)模型，實現(xiàn)C／S模式下遠程屏幕監(jiān)控服務器同時對大量并發(fā)客戶進行屏幕監(jiān)控的功能，可以根據需要決定是否開始遠程控制。用IOCP對多線程進行調度和管理，高效地利用系統(tǒng)資源。并且給出了整個系統(tǒng)的網絡設計與實現(xiàn)過程。
關鍵字：IOCP；多線程；遠程屏幕監(jiān)控

    隨著網絡技術的不斷發(fā)展，遠程桌面共享技術已經越來越多地運用于遠程辦公、教育培訓、遠程監(jiān)控等方方面面。微軟在Windows NT 3．5中引入了IOCP(I／O Completion Port，I／O完成端口)，該模型被廣泛應用于大規(guī)模的網絡服務器之上，遠程屏幕監(jiān)控服務器利用IOCP可以同時有效地對多個客戶端屏幕進行監(jiān)控。

1 遠程屏幕監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構
    在Windows系統(tǒng)中，對于大型的服務器應用一般設計為C／S模式，通過在客戶端和服務器之間建立網絡連接來實現(xiàn)信息的傳輸。對于服務器來說，在同一時間可能需要監(jiān)控多個客戶端屏幕，在遠程屏幕監(jiān)控系統(tǒng)的大致結構如圖1所示。

    由被監(jiān)控的客戶端捕捉屏幕圖像，經過壓縮之后實時地傳輸給服務器，服務器打開一個窗口，并將收到的客戶端屏幕圖像數據顯示在該窗口中，如需對客戶端進行控制，則服務器端將該窗口中捕捉到的鼠標鍵盤消息發(fā)送到客戶端，客戶端收到此消息后模擬出鼠標鍵盤點擊事件，實現(xiàn)遠程控制。采用IOCP機制，只需要為數不多的幾個線程就同時為多個客戶端提供服務，并且效率遠高于其它網絡模型。

2 IOCP機制的基本原理
    IOCP是性能最好的一種I／O模型。它是應用程序使用線程池處理異步I／O請求的一種機制。在處理多個并發(fā)的異步I／O請求時，以往的模型都是在接收請求時創(chuàng)建一個線程來應答請求。這樣就有很多的線程并行地運行在系統(tǒng)中。而這些線程都是可運行的，Windows內核花費大量的時間在進行線程的上下文切換，并沒有多少時間花在線程運行上。再加上創(chuàng)建新線程的開銷比較大，所以造成了效率的低下。
    IOCP的目標是實現(xiàn)高效的服務器程序，它克服了一般并發(fā)模型的不足，其方法是在初始化完成端口的時候創(chuàng)建一定數量的服務線程。當系統(tǒng)完成I／O操作之后，向服務器完成端口發(fā)送I／O completion packet，此時線程池中的線程在完成端口上排隊等待I／O操作的完成。如果在完成端口上沒有收到I／O completion packet，這些線程處于睡眠狀態(tài)。否則，這些線程按照后進先出(LIFO)的方式被喚醒，并完成后續(xù)數據處理操作。

3 服務器設計
    遠程屏幕監(jiān)控服務器的核心功能是將接收到的客戶端的屏幕圖像顯示到一個服務器端窗口中，服務器通過此窗口對客戶端進行遠程控制。為了提高系統(tǒng)可靠性，網絡協(xié)議采用面向連接的TCP協(xié)議，利用TCP協(xié)議中的擁塞避免以及超時和差錯重傳機制可以確保數據在傳輸的可靠性。
3．1 服務器監(jiān)聽套接字的實現(xiàn)
    在服務器端建立IOCP模型時，首先需要建立一個監(jiān)聽套接字，對于監(jiān)聽套接字，并不將它與完成端口相關聯(lián)，而是調用WSAEventSelect為監(jiān)聽套接字注冊FD_ACCEPT網絡事件。該函數的聲明如下：
   
    之后創(chuàng)建一個監(jiān)聽線程，在此線程中可以循環(huán)調用WSAWaitForMultipleEvents等待事件對象被觸發(fā)。在該函數正確返回之后，繼續(xù)調用WSAEnumNetworkEvents函數列舉出發(fā)生在套接字上的事件，如果是FD_ACCEPT事件，則接受該連接，并將新建的套接字與創(chuàng)建的完成端口相關聯(lián)，并在此套接字上調用WSARecv投遞接收數據的請求。
3．2 IOCP模型的實現(xiàn)
    要建立IOCP模型，需要在服務器啟動監(jiān)聽線程時，首先創(chuàng)建一個完成端口對象，通過調用CreateIoCompletionPort來實現(xiàn)，之后調用GetSystemlnfo函數獲得CPU的數量，根據CPU的數量創(chuàng)建一定數量的服務線程在此端口上等待完成事件的通知，一般來說，服務線程的數量大約是CPU數量的2倍。
    當監(jiān)聽套接字接收到一個新的連接時，再次調用CreateIoCompletionPort將接收套接字與我們先前創(chuàng)建的完成端口綁定。這里的完成鍵pComleKey是一個指向ClientContext結構體的指針，該結構體包含了當前套接字的一些相關信息，接受和發(fā)送數據所用的緩存。接下來需要定義一個與I／O操作相關的結構體，保存與I／O操作相關的信息。該結構體的定義如下：
   
    其中m_ioType表示I／O操作的類型，接下來需要調用WSARecv發(fā)起重疊的I／O操作請求，并將向前創(chuàng)建的OVERLAPPEDPLUS結構體作為參數傳遞進去。具體如下：
   
    服務線程被啟動后，調用GetQueuedCompletionStation函數等待重疊I／O操作的完成，當重疊I／O操作完成時，I／O操作完成通知包被發(fā)送到完成端口上，此時該函數返回，完成通知包包含的信息有已傳輸的字節(jié)數、完成鍵和重疊結構。根據返回的I／O操作的具體信息，調用相應的處理函數對結果進行處理。在處理完數據之后，需要再次向完成端口投遞I／O操作請求。我們可以通過調用PostQueuedCompletion Status函數來向完成端口發(fā)送一個I／O操作完成通知包。圖2是整個網絡傳輸的工作流程圖。

7 結束語
    在Windows7環(huán)境下建立服務器運行平臺，100M局域網內，7個客戶同時連接到服務器，服務器能正常運行，同時打開7個客戶端的屏幕監(jiān)控窗口，客戶端屏幕圖像顯示無明顯延遲，需要時可正常開啟遠程控制功能?；贗OCP的服務器理論上可以連接成百上千個客戶端，但是由于網絡帶寬，硬件配置等限制，連接數量往往有一定的限制。基于IOCP的服務器程序優(yōu)點在于能夠對大量的客戶連接進行有效管理，資源利用率高，具有易擴展性，隨著硬件配置的提高，無需改動程序，其性能就可以隨之提升。