李柯

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西省西安市 710000）

1 基本介紹

實(shí)際上進(jìn)程之間的通信是通過(guò)向雙方的套接字發(fā)送報(bào)文（應(yīng)用程序交換信息分組）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)程所在的應(yīng)用層通過(guò)套接字與運(yùn)輸層連接。根據(jù)使用的運(yùn)輸層協(xié)議不同，還可分為UDP套接字和TCP套接字。套接字充當(dāng)一個(gè)“運(yùn)輸和預(yù)處理者”，檢查運(yùn)輸層協(xié)議發(fā)來(lái)的報(bào)文并采取適當(dāng)?shù)膭?dòng)作。

集中式系統(tǒng)的部件（計(jì)算機(jī)）局限在一個(gè)地方，使用限制很多，難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的拓展、設(shè)備的移動(dòng)，缺乏靈活性和便捷性，且難以應(yīng)用在包括Web文檔系統(tǒng)、學(xué)習(xí)工作中的工作流系統(tǒng)等當(dāng)中。而對(duì)于分布式系統(tǒng)，系統(tǒng)的部件（計(jì)算機(jī)）不在同一地理位置，在物理上相互獨(dú)立，地位平等，但卻存在緊密的合作，用戶獲取資源時(shí)不需要知道資源在系統(tǒng)中的具體位置，分布式系統(tǒng)在用戶面前將呈現(xiàn)出一個(gè)單一的系統(tǒng)整體。其開(kāi)發(fā)、可擴(kuò)展、異構(gòu)、透明、安全的特點(diǎn)，使分布式計(jì)算系統(tǒng)被用于許多不同類(lèi)型的應(yīng)用中，如共享存儲(chǔ)器多處理機(jī)。

2 基于TCP建立連接通訊、UDP傳輸數(shù)據(jù)的文件服務(wù)系統(tǒng)

于是我們是否能利用高級(jí)語(yǔ)言所提供的一些方法和代碼庫(kù)，通過(guò)代碼的組織管理，實(shí)現(xiàn)利用TCP和UDP進(jìn)行多線程傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。由于Java編程語(yǔ)言面向?qū)ο?、可移植性?qiáng)（Java在自己的虛擬機(jī)JVM上編譯運(yùn)行，JVM上具有完整的虛擬硬件系統(tǒng)和完整的指令系統(tǒng)，使得Java程序在其他平臺(tái)上只要擁有JVM就能不加修改地運(yùn)行）、功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單，而且Java提供了多線程實(shí)現(xiàn)的類(lèi)與接口，使利用Java實(shí)現(xiàn)多線程系統(tǒng)變得相對(duì)更加簡(jiǎn)單。

想要實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程之間通信，就要對(duì)每一個(gè)進(jìn)程賦予唯一標(biāo)識(shí)。網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)程需要利用網(wǎng)絡(luò)層的IP地址唯一標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)，傳輸層的所用協(xié)議和端口唯一標(biāo)識(shí)主機(jī)中的進(jìn)程。所以，形成了三元組（IP地址，協(xié)議，端口）來(lái)標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程。進(jìn)程在網(wǎng)絡(luò)中的通信通過(guò)該三元組唯一標(biāo)識(shí)其它進(jìn)程并與之進(jìn)行交互。

2.1 建立服務(wù)器與客戶之間的TCP連接

服務(wù)器端指定一個(gè)空閑端口號(hào)創(chuàng)建一個(gè)ServerSocket實(shí)例，當(dāng)然該端口必須是空閑端口：服務(wù)器如果指定系統(tǒng)或者其它進(jìn)程已經(jīng)占用的端口，將會(huì)返回異常，只有和空閑端口連接才能正常運(yùn)行。選定空閑端口簡(jiǎn)單的方法是：1～1023已經(jīng)被系統(tǒng)占用，只有1024～65535之間的端口號(hào)為空閑端口，可供使用。比如HTTP協(xié)議一般使用80端口，當(dāng)然如要應(yīng)用HTTP協(xié)議，除了使用80端口，也可以使用其他的空閑端口實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議。還可以使用端口掃描，通過(guò)創(chuàng)建以主機(jī)IP地址和測(cè)試端口號(hào)為構(gòu)造方法參數(shù)的socket對(duì)象，如果創(chuàng)建成功，便為空閑端口，如果拋出IO異常便為被占用端口。ServerSocket代表服務(wù)器端服務(wù)套接字，可以創(chuàng)建連接中屬于服務(wù)器端的socket實(shí)例。Socket代表客戶端套接字，與服務(wù)器端創(chuàng)建的socket實(shí)例建立連接。建立TCP連接時(shí)，兩端socket將自動(dòng)完成TCP需要三次握手的過(guò)程。服務(wù)端同時(shí)運(yùn)行ServerSocket和與客戶建立連接的服務(wù)器端Socket，而客戶端只運(yùn)行客戶端Socket。ServerSocket以選定端口作為參數(shù)，生成與選定端口連接的serverSocket對(duì)象；Socket通過(guò)默認(rèn)構(gòu)造方法創(chuàng)建一個(gè)與隨機(jī)可用端口綁定的流套接字，并通過(guò)connect方法以一個(gè)InetSocketAddress對(duì)象作為參數(shù)向服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求，而InetSocketAddress對(duì)象以要連接的服務(wù)器IP地址和要連接的服務(wù)器端口號(hào)作為構(gòu)造方法參數(shù)。ServerSocket對(duì)象生成后負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)來(lái)自客戶的TCP連接請(qǐng)求，使用accept方法來(lái)監(jiān)聽(tīng)和通過(guò)客戶端進(jìn)程的連接請(qǐng)求，并返回一個(gè)Socket類(lèi)型的對(duì)象。服務(wù)器端Socket對(duì)象創(chuàng)建成功后，客戶端與服務(wù)器就建立了一個(gè)TCP連接，并可以通過(guò)這個(gè)連接在兩個(gè)套接字之間進(jìn)行通信。Socket類(lèi)還提供了返回輸出流、輸入流的方法，用于發(fā)送、接受數(shù)據(jù)。如果希望設(shè)置客戶端Socket請(qǐng)求與服務(wù)器建立連接的等待時(shí)間，則可調(diào)用Socket的connect方法設(shè)置超時(shí)時(shí)間，當(dāng)連接請(qǐng)求超時(shí)時(shí)，便會(huì)拋出連接超時(shí)異常。另外，ServerSocket的構(gòu)造方法還提供設(shè)定接收客戶端請(qǐng)求的隊(duì)列長(zhǎng)度的功能，當(dāng)請(qǐng)求數(shù)量大于隊(duì)列設(shè)定長(zhǎng)度時(shí)，新的連接請(qǐng)求再傳入服務(wù)器無(wú)法進(jìn)入等待隊(duì)列，客戶端便會(huì)返回異常。僅當(dāng)ServerSocket調(diào)用accept方法從連接隊(duì)列中取出任務(wù)，新的連接請(qǐng)求才允許進(jìn)入等待隊(duì)列。但是該隊(duì)列為等待隊(duì)列，并不能實(shí)現(xiàn)多線程與服務(wù)器并發(fā)交互，在實(shí)際中應(yīng)用方面并不廣泛。

2.2 服務(wù)器的多線程實(shí)現(xiàn)

當(dāng)服務(wù)器接收到第一個(gè)客戶請(qǐng)求時(shí)，連接建立開(kāi)始通信，其他客戶請(qǐng)求連接時(shí)，這些連接請(qǐng)求，必須進(jìn)入等待隊(duì)列等待服務(wù)器響應(yīng)，直到上一個(gè)客戶的任務(wù)完成并結(jié)束，導(dǎo)致服務(wù)器無(wú)法支持多用戶并發(fā)訪問(wèn)并與多個(gè)客戶同時(shí)交互。為了實(shí)現(xiàn)服務(wù)器能同時(shí)與多個(gè)客戶通信并且能夠及時(shí)給出響應(yīng)，可以設(shè)計(jì)服務(wù)器主線程負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)和接收客戶連接請(qǐng)求并與客戶建立連接，然后為每個(gè)連接客戶創(chuàng)建一個(gè)工作線程，這些工作線程接收主線程提供的剛由accept方法創(chuàng)建的服務(wù)器端socket作為參數(shù)，并由這些線程完成對(duì)應(yīng)客戶發(fā)送的任務(wù)。由于無(wú)限制分配線程的創(chuàng)建銷(xiāo)毀開(kāi)銷(xiāo)很大而且容易造成系統(tǒng)內(nèi)存不足，這些工作線程可以被預(yù)先創(chuàng)建完成并保存在線程池中，在線程池中，提前保存了一定數(shù)量這樣的線程，它們?cè)诳臻e狀態(tài)不斷詢問(wèn)任務(wù)隊(duì)列是否有新的等待任務(wù)，取出任務(wù)隊(duì)列中的任務(wù)并執(zhí)行，當(dāng)一個(gè)線程執(zhí)行完對(duì)應(yīng)的任務(wù)時(shí)，就會(huì)繼續(xù)詢問(wèn)任務(wù)隊(duì)列是否有新的等待任務(wù)并讀取任務(wù)隊(duì)列中的下一個(gè)任務(wù)。線程池實(shí)現(xiàn)了將工作線程回收利用，使每個(gè)線程池中的線程能夠重新完成新的任務(wù)，使程序員可以根據(jù)系統(tǒng)的CPU性能、內(nèi)存大小等系統(tǒng)屬性確定線程池中線程的數(shù)目。但是線程池的問(wèn)題在于如果客戶端通信異常終止，會(huì)導(dǎo)致線程資源的泄露，如果多次發(fā)生會(huì)使得最終線程池中無(wú)線程可用，服務(wù)器雖與客戶建立連接但由于線程池中線程不可用無(wú)法響應(yīng)客戶請(qǐng)求，還有多線程程序最容易產(chǎn)生的并發(fā)和死鎖問(wèn)題等風(fēng)險(xiǎn)。例如，線程A需要同步等待線程B的執(zhí)行結(jié)果，那么如果不能獲得B的結(jié)果，A將可能死鎖，因此應(yīng)避免將相關(guān)線程加入工作隊(duì)列，保證執(zhí)行的線程任務(wù)盡量單一；假設(shè)工作線程執(zhí)行過(guò)程中被阻塞（如由于各種原因，數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K止標(biāo)識(shí)丟失，導(dǎo)致客戶端一直在讀取數(shù)據(jù)階段，無(wú)法繼續(xù)輸入指令），致使該線程持續(xù)處于阻塞狀態(tài)。如果線程池中的所有線程都由于各種原因處于阻塞狀態(tài)，線程池就無(wú)法繼續(xù)處理新任務(wù)，服務(wù)器也將因此癱瘓，對(duì)此可以通過(guò)調(diào)用ServerSocket所提供的setSoTimeout方法，設(shè)置等待客戶響應(yīng)的連接超時(shí)時(shí)間，如果連接超時(shí)，工作線程將主動(dòng)結(jié)束與客戶的連接；對(duì)于線程異常終止導(dǎo)致線程泄露，可以使用FixedThreadPool，如果在線程正常關(guān)閉前由于異常原因致使線程異常終止，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新線程代替原線程完成接下來(lái)的任務(wù)。

2.3 服務(wù)器與客戶之間的UDP傳輸

在Java中，UDP的特定socket的類(lèi)為DatagramSocket負(fù)責(zé)接收和發(fā)送UDP數(shù)據(jù)報(bào)，其提供的receive和send方法讓服務(wù)器和客戶可以接收、發(fā)送數(shù)據(jù)；通過(guò)創(chuàng)建DatagramPacket對(duì)象表示UDP數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)包。需要注意的是，DatagramPacket指定了數(shù)據(jù)內(nèi)容和要發(fā)送的字節(jié)數(shù)；作為接收數(shù)據(jù)的DatagramPacket無(wú)需指定發(fā)送方地址；發(fā)送數(shù)據(jù)的DatagramPacket則必須設(shè)定數(shù)據(jù)到達(dá)的目的IP地址和端口。對(duì)于傳輸非文本文件，應(yīng)采用字節(jié)流以避免讀取格式的錯(cuò)誤，并且所有文件的儲(chǔ)存是都是字節(jié)的儲(chǔ)存，所以采用字節(jié)流傳輸。

服務(wù)器UDP發(fā)送服務(wù)（實(shí)現(xiàn)get方法）Get：

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)類(lèi)似ftp網(wǎng)絡(luò)文件服務(wù)程序，由于Java為socket的編程提供了豐富發(fā)工具，該系統(tǒng)以Java Socket TCP和UDP為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)，包含服務(wù)器端和客戶端；該系統(tǒng)使用TCP協(xié)議傳輸用戶指令和服務(wù)器反饋，使用UDP協(xié)議傳輸文件；服務(wù)器端支持多用戶并發(fā)訪問(wèn)。當(dāng)控制臺(tái)顯示連接時(shí)，客戶可在控制臺(tái)輸入以下指令獲得服務(wù)器的對(duì)應(yīng)反饋：

通過(guò)TCP連接時(shí)，服務(wù)器端需保存用戶當(dāng)前所在目錄的信息（初始連接時(shí)為服務(wù)器指定的根目錄），通過(guò)cd ..可退到上一級(jí)目錄，且當(dāng)前目錄為根目錄時(shí)，不做變動(dòng)。TCP連接時(shí)，客戶端可能一次接收多行數(shù)據(jù)，需循環(huán)從輸入流中讀取，服務(wù)器端可在每次輸出結(jié)束時(shí)多輸出一個(gè)空行，客戶端根據(jù)空行來(lái)判斷每次輸入的結(jié)束。get命令的執(zhí)行：可先發(fā)送給TCP連接，判斷get后的參數(shù)在當(dāng)前目錄下是否為普通文件，若不是，回復(fù)提示信息，若是，回復(fù)客戶端特定信息（如OK），以及該文件的物理路徑和大小，客戶端接收到OK后，緊接著讀取后續(xù)的信息，再通過(guò)UDP請(qǐng)求該文件。UDP傳輸文件時(shí)，需將文件分次讀取到byte[]緩存中，每次封裝一個(gè)DatagramPacket，依次發(fā)送給客戶端，為了確保發(fā)送的順序，可在每次發(fā)送結(jié)束時(shí)通過(guò)TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(1)來(lái)限制發(fā)送的速度；客戶端接收時(shí)，循環(huán)接收DatagramPacket，循環(huán)次數(shù)為文件大小/緩存大小+1。

對(duì)于客戶端，不論是TCP協(xié)議的socket還是UDP協(xié)議的socket，代碼的結(jié)束部分都會(huì)調(diào)用socket.close()方法將客戶端對(duì)應(yīng)的socket關(guān)閉，以避免socket超時(shí)關(guān)閉。而Handler類(lèi)作為一個(gè)工作線程類(lèi)，調(diào)用了LS、Cd、Get類(lèi)來(lái)完成ls、cd和get功能。由于代碼在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)測(cè)試，所選IP地址固定為127.0.0.1（可更改）。傳輸文件的保存路徑保存在EchoClient中，可手動(dòng)更改。這是一個(gè)簡(jiǎn)易的網(wǎng)絡(luò)文件查找傳輸系統(tǒng)，其通過(guò)Java實(shí)現(xiàn)，可以幫助了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、分布式計(jì)算、socket編程以及Java編程的相關(guān)知識(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)近六十年的發(fā)展將人類(lèi)的生活徹底改變，它將不同空間不同時(shí)間的計(jì)算機(jī)聯(lián)系起來(lái)，對(duì)人與人之間的聯(lián)系交流、科學(xué)技術(shù)的研究發(fā)展產(chǎn)生了巨大變革。分布式計(jì)算將多個(gè)計(jì)算機(jī)相互連接作為一個(gè)整體，在相同或不同的軟硬件環(huán)境下執(zhí)行相同或不同的任務(wù)，其在分散的計(jì)算機(jī)之間建立緊密的連接，充分的利用計(jì)算機(jī)資源，提升效率，降低成本，引起的技術(shù)變革和更新也將促進(jìn)人類(lèi)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。