基于分布式与零拷贝半导体天车设备报文高并发处理方法与流程

本发明涉及半导体天车设备高并发通信领域，尤其涉及基于分布式与零拷贝半导体天车设备报文高并发处理方法。

背景技术：

1、在先进半导体制造产线中，自动物料搬运系统是实现晶圆盒跨工序流转的核心基础设施。其中，overhead hoist transport（oht，天车）设备作为amhs的执行终端，单座12吋晶圆厂的在役天车规模通常可达数百至上千台。overhead hoist transport含有空中走行式穿梭车（ohs）和oht (空中走行式无人搬送车)，前者负责将晶圆盒在不同的生产区域（bay）之间进行高速、大批量的转移，后者负责将晶圆盒在生产区域内部进行短途运送，并精准地装卸到具体的工艺设备上。空中走行式穿梭车（ohs）也可不配备垂直升降机构。

2、每台天车在运行过程中会以极高频率向中央控制系统上报位置坐标、载具状态、任务执行回执及异常告警等多类报文；中央系统也需要反向下发调度指令与参数配置。

3、通过对当前半导体天车通信系统及相关工业物联网协议栈的梳理，现有技术主要存在以下显著缺陷：

4、多数方案采用共享连接池或集中式 tcp 监听模式，一旦某几台天车因现场供电波动批量掉线，重连请求会在极短时间内集中打向服务端。由于缺乏节点粒度的独立连接生命周期管理与自适应退避机制，单个节点的异常重连极易引发服务端线程阻塞，进而产生雪崩效应，波及正常在线的天车节点。

5、绝大多数天车网关采用 fifo 队列或基于固定报文类型的静态优先级。这种机制无法量化以下动态变量：

6、同一时刻不同节点控制器的瞬时负载水位；

7、特定状态报文的等待时间紧迫程度；

8、不同类型报文的固有业务价值。

9、导致高优告警报文在业务洪峰中被普通心跳报文淹没，延误异常处理窗口。

10、因此，我们提出了基于分布式与零拷贝半导体天车设备报文高并发处理方法用于解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明提供了基于分布式与零拷贝半导体天车设备报文高并发处理方法，用于实现在极端高并发场景下报文处理的高吞吐、低抖动与强确定性。

2、本发明第一方面提供了基于分布式与零拷贝半导体天车设备报文高并发处理方法，所述基于分布式与零拷贝半导体天车设备报文高并发处理方法包括：为多个处理节点中的每个处理节点分别建立独立的连接管理器；通过所述连接管理器接收报文数据并将其写入内存块，对所述报文数据进行帧边界检测和校验，得到有效报文以及所述有效报文在所述内存块中的只读引用；根据所述有效报文的属性参数和所述有效报文所在的所述处理节点的运行状态，计算所述有效报文的调度指标值；收集所有的所述处理节点上的所有的所述有效报文的所述调度指标值，基于所述调度指标值确定目标报文，并向所述目标报文所在的所述处理节点发送包含所述目标报文对应的所述只读引用的处理授权消息；所述处理节点根据接收到的所述处理授权消息中的所述只读引用，从所述内存块中读取所述目标报文执行业务处理，并在处理完成后释放所述内存块。

3、可选的，在本发明第一方面的第一种实现方式中，所述连接管理器包括网络连接实例、重连控制器和解析管线；

4、其中，所述网络连接实例具有独立的异常取消机制，用于建立并维护通信连接；

5、所述重连控制器用于在连接异常时基于指数退避算法计算重连等待时间；

6、所述解析管线基于所述网络连接实例和所述重连控制器初始化，用于独立执行所述报文数据的接收与解析。

7、可选的，在本发明第一方面的第二种实现方式中，所述对所述报文数据进行帧边界检测和校验，得到有效报文以及所述有效报文在所述内存块中的只读引用，包括：

8、在所述内存块中对所述报文数据进行帧边界检测，获取候选报文以及所述候选报文在所述内存块中的候选引用，所述候选引用包含起始地址信息；

9、对所述候选报文依次执行多层递进式校验；

10、仅当所述多层递进式校验全部通过时，将所述候选报文确定为所述有效报文，并将对应的所述候选引用确定为只读引用，所述只读引用包含所述起始地址信息。

11、可选的，在本发明第一方面的第三种实现方式中，所述多层递进式校验至少包括依次执行的帧头标记校验、长度字段合法性校验、冗余校验以及帧尾标记校验；

12、在依次执行各层校验的过程中，每当当前层校验通过时，生成或更新阶段性引用；

13、若任意一层校验未通过，则终止后续校验并清理当前的所述阶段性引用；

14、当所述多层递进式校验全部通过时，将最终获得的所述阶段性引用更新为所述有效报文对应的所述只读引用。

15、可选的，在本发明第一方面的第四种实现方式中，所述属性参数包括类型价值参数和等待时间参数，所述运行状态包括负载参数；

16、所述根据所述有效报文的属性参数和所述有效报文所在的所述处理节点的运行状态，计算所述有效报文的调度指标值，包括：

17、获取所述有效报文的所述类型价值参数、所述等待时间参数以及所述处理节点的所述负载参数；

18、将所述类型价值参数、所述等待时间参数以及所述负载参数分别与对应的权重系数进行加权计算，得到中间计算值；

19、通过映射函数将所述中间计算值映射至预设数值区间，得到所述调度指标值；

20、将所述调度指标值写入所述有效报文对应的所述只读引用的数据结构中，作为后续确定目标报文的比较依据。

21、可选的，在本发明第一方面的第五种实现方式中，所述基于所述调度指标值确定目标报文，包括：

22、从收集到的所有的所述调度指标值中选取最大值，将具有所述最大值的所述有效报文确定为候选处理对象；

23、若存在多个所述调度指标值相同的所述有效报文，则基于各所述有效报文对应的所述只读引用中的所述起始地址信息进行唯一性排序，并选择排序首位的所述有效报文作为唯一处理对象；

24、将确定的所述候选处理对象或所述唯一处理对象作为所述目标报文，并生成处理授权消息，所述处理授权消息携带有对应所述目标报文的只读引用以及记录生成时刻的时间戳。

25、可选的，在本发明第一方面的第六种实现方式中，所述通过所述连接管理器接收报文数据并将其写入内存块，包括：

26、提供预先分配有多个空闲内存块的全局内存池；

27、通过零拷贝异步机制从通信接口接收所述报文数据，并将其直接写入所述全局内存池分配的所述内存块中；

28、所述在处理完成后释放所述内存块，包括：

29、将处理完成后的所述内存块标记为空闲状态，并将其归还至所述全局内存池供后续复用。

30、可选的，在本发明第一方面的第七种实现方式中，还包括：

31、当所述候选报文未通过所述多层递进式校验时，从所述候选报文对应的所述起始地址信息的下一字节位置开始重复执行所述帧边界检测，直至扫描获得通过全部校验的所述有效报文或扫描完当前使用的所述内存块中的全部字节；

32、在重复执行所述帧边界检测的过程中，若检测到新的帧头标记且所述内存块中的剩余字节数小于所述新的帧头标记之后携带的长度字段所指示的数值，则生成记录有当前扫描位置信息的半包标记；

33、在下一次接收到报文数据并写入所述内存块后，根据所述半包标记记录的所述扫描位置信息恢复执行所述帧边界检测。

34、有益效果：引入中央调度拉取及处理授权单播机制，各节点在物理连接上完全自治、互不掣肘，但在业务执行权上接受全局活性度仲裁，既规避了传统分布式网关的连接风暴风险，又消灭了静态优先级下高优告警被普通心跳淹没的行业顽疾。

35、设计了阶段性只读引用递进模型：帧头、长度、crc、帧尾四层校验全部在预分配内存块的原地址上短路执行，未通过任意一层即刻丢弃阶段性引用；配合半包扫描位置标记，残帧无需搬迁即可在下一轮socket写入后原地续扫，系统在保持军工级协议完整性的同时，将内存搬运开销压缩到了理论极限。

36、利用纯连续初等函数，将报文固有业务价值、时效紧迫度衰减曲线、节点瞬时负载水位融合为一个无量纲实数，不仅消除了同优先级下的fifo盲目性，更通过起始地址辅助排序机制，在算法层面天然闭合了活性度冲突时的唯一性确权问题，调度决策具备可量化的数学严谨性。

37、自适应重连控制器保留实数域等待时间并叠加均匀随机抖动，直接作用于底层计时器，从概率分布上彻底打散了洁净室大规模电磁闪断后的集群重连波峰，属于典型的低实现成本、高系统韧性的创造性工程补全。