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TCPIP网络重复型服务器通信软件设计

发布时间:2019-07-05 03:07 来源:未知 编辑:admin

  摘要:本文介绍一种新型的基于消息队列的重复型服务器通信软件的设计方法,不同于并发型服务器和一般的重复型服务器通信软件,这种新的软件具有生成的子进程数少的优点,并且容易对客户机与服务器的连接进行管理,适用于客户机数量较多和随机数据通信的情况,能够有效地提高服务器的运行效率。

  关键词:TCP/IP网络 重复型服务器通信软件 套接字 连接 共享内存消息队列

  一般TCP/IP服务器通信软件都是并发型的,即是由一个守护进程负责监听客户机的连接请求,然后再由守护进程生成一个或多个子进程与客户机具体建立连接以完成通信,其缺点是随着连接的客户机数量的增多,生成的通信子进程数量会越来越多,在客户机数量较多的应用场合势必影响服务器的运行效率。一般的重复服务器指的是服务器在接收客户机的连接请求后即与之建立连接,然后要在处理完与客户机的通信任务后才能再去接收另一客户机的请求连接,其优点是不必生成通信子进程,缺点是客户机在每次通信之前都要与服务器建立连接,开销过大,不能用于随机的数据通信和繁忙的业务处理。

  本文提出的新型的重复型服务器不同于一般的重复服务器,它摒弃了上述两类服务器的缺点综合其优点,该服务器通信软件具有一般重复服务器的特征但又能处理客户机的随机访问,在客户机数量多且业务繁忙的应用场合将发挥其优势。重复型服务器通信软件只用三个进程就可完成与所有客户机建立连接,并始终保持这些连接。

  当第一台客户机向服务器请求连接时,服务器的守护进程与之建立初始连接(L0),客户机利用L0向服务器发送两个端口号,守护进程将客户机的IP地址和端口号登记在共享内存的记录中,然后关闭L0。由守护进程生成的两个通信子进程从共享内存中获得客户机IP地址及端口号后,分别向客户机请求连接,建立一个从客户机读的连接(L1)和一个往客户机写的连接(L2),并将两个连接的套接字的句柄记录在共享内存中。当另一台客户机请求连接时,守护进程不再生成通信子进程,只是将客户机IP地址和端口号同样登记在共享内存中。通信子进程在一个大循环中先查询共享内存中是否有新的记录,如果有则与这一台客户机建立连接,然后轮询所有已建立的连接的读套接字,查看是否有数据可读,有则读取数据,同时标明该数据是从共享内存中的哪条记录上的读套接字中获得的,再由另一个通信子进程根据这个记录的编号从共享内存中获得对应的写套接字,最后将结果数据往该套接字写往客户机。

  ⑴ 服务器通信软件的初始进程首先建立公用端口上的套接字,并在该套接字上建立监听队列,同时生成一个守护进程(Daemon)tcp_s,然后初始进程就退出运行。守护进程在函数accept处堵塞住直到有客户机的连接请求,一有连接请求即调用server函数处理,然后继续循环等待另一台客户机的请求。因为TCP/IP在连接被拆除后为了避免出现重复连接的现象,一般是将连接放在过时连接表中,连接在拆除后若要避免处于TIME_WAIT状态(过时连接),可调用setsockopt设置套接字的linger延时标志,同时将延时时间设置为0。服务器在/etc/services文件中要登记一个全局公认的公用端口号:tcp_server 2000/tcp。

  先给变量cport1置一个整数后调用rresvport函数,该函数先检查端口号cport1是否已被占用,如果已被占用就减一再试,直到找到一个未用的端口号,然后生成一个套接字,将该套接字与端口号相联形成客户机端的半相关,接下调用connect函数向服务器发出连接请求。客户机在发出连接请求之前,已用函数gethostbyname和getservbyname获得了服务器的IP地址及其公用端口号,这样就形成了一个完整的相关,可建立起与服务器的初始连接。接下来再创建两个套接字s_c1和s_c2,利用初始连接将客户机的两个套接字的端口号以字符串的形式发送给服务器,这时初始连接的任务已经完成就可将其关闭。以上就完成了与服务器的初始连接,接下来客户机等待服务器的两次连接请求。

  ⑶ tcp_s的监听队列在收到客户机发来的连接请求后,由server函数读出客户机发送来的两个端口号,并在第一次调用时生成两个通信子进程tcp_s1和tcp_s2,以后就不再生成,这是与并发服务器最大的不同。tcp_s进程将客户机的两个端口号和IP 地址以记录的形式登记在共享内存最后一条记录中,子进程通过共享内存获得这两个端口号,然后再分别与客户机建立连接。tcp_s继续处于监听状态,以便响应其他客户机的连接请求。两个子进程都应该关闭从父进程继承来的但又没有使用的套接字s。

  ⑷ tcp_c用listen(s_c1,5)在套接字s_c1上建立客户机的第一个监听队列,等待服务器的连接请求。在与服务器建立第一个连接后,再用listen(s_c2,5)建立第二个监听队列,与服务器建立第二个连接。

  ⑸ 进程tcp_s1调用函数Server_Receive在一个循环中不断查询是否又有新的客户机登记在共享内存中,方法是判断共享内存中最后一条记录的linkf1标志是否为0,如果为0就调函数connect_to_client与客户机建立第一个连接,然后轮询所有的读套接字,有数据则读,没有数据则读下一个读套接字。

  由于已将读套接字的读取标志设为O_NDELAY,所以没有数据可读时read函数就返回-1不会堵塞住。这样我们才能接收到客户机随机的数据发送同时也才能及时响应新的客户机的连接请求,这是重复服务器得以实现的关键所在。如果read函数返回0则表示客户机通信程序已退出或者别的原因,比如客户机关机或网络通信故障等,此时就要从共享内存中清除相应客户机的记录。在建立连接时如果出现上述故障也要从共享内存中清除相应客户机的记录。在有数据可读时就将sid标志设置为n,表示数据是从第n台客户机读取的,这样子进程tcp_s2才可根据消息的sid标志往第n台客户机写数据。

  ⑹ 进程tcp_s2调用函数Server_Send,在一个循环中不断查询是否又有新的客户机连接登记在共享内存中,方法是判断共享内存中最后一条记录的linkf2标志是否为0,如果为0就调用函数connect_to_client与客户机建立第二个连接,然后再从消息队列中读数据。因为只有一个tcp_s2进程在读消息队列,所以就不必对消息进行区别,有数据则读。再按照消息的sid标志从共享内存中查出写套接字,然后将数据往该套接字写。由于该写套接字是在进程tcp_s2内创建的,所以只要简单地使用套接字的句柄即可访问该套接字。函数msgrcv要设置IPC_NOWAIT标志以免在没有数据时堵塞住,这样才能继续执行下面的程序以便及时地与下一台客户机建立连接,这也是一个关键的地方。tcp_s2调用函数Server_Send用于数据发送,tcp_s1则调用函数Server_Recvice用于数据接收。

  函数connect_to_client(n,type)表示服务器与第n台客户机建立第type次连接。该函数由两个子进程同时调用,分别从共享内存中查出客户机的IP地址和端口号后与客户机建立连接,建立的连接分别处于各个子进程自己的数据空间中,彼此并不相通,所以又要用到共享内存,将连接的套接字句柄登记在共享内存中,使得与同一台客户机建立连接的两个套接字形成一一对应的关系。

  这样tcp_s2才可根据数据读入的套接字去查询出对应的写套接字,才能正确地将处理结果发送给对应的客户机。tcp_s1以type=1调用该函数,使用共享内存中第n条记录的cport1和客户机IP地址与客户机建立第一个连接,同时将这一连接服务器方的套接字(读套接字)登记在共享内存第n条记录的s_socket1中,同时将连接标志linkf1置1。

  tcp_s2以type=2调用该函数,使用共享内存中第n条记录的cport2和客户机IP地址与客户机建立第二条连接,同样也要将这一连接服务器方的套接字(写套接字)登记在共享内存第n条记录的s_socket2中,将连接标志linkf2置1。因为该函数由两个子进程同时调用,为了保持进程间同步,当type=2时必需等到第n条记录的linkf1为1时才能继续执行,即必须先建立第一个连接才能再建立第二个连接,这是由客户机通信程序决定的,因为客户机通信程序是先监听并建立起第一个连接后再监听并建立第二个连接。子进程tcp_s1和tcp_s2通过共享内存实现进程间通信,在实际应用中总是使用共享内存的最后一条记录。

  ┌─────────────┤ 守护进程 ├←─────────┐┌─────┐

  │ ┌─┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬─────┬─┐│└──┴──┘

  │ ├─┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼─────┼─┤│┌─────┐

  │ ├─┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼─────┼─┤│├──┬──┤

  └─┴──┼──┴┬─┴──┼──┴┬─┴─────┴─┘│└──┴──┘

  这里必须置套接字的读取标志位O_NDELAY,这样在读数据时如果没有数据可读read函数就不会堵塞住,这是重复型服务器能够实现的关键。因为UNIX系统将套接字与普通文件等同处理,所以就能够使用设置文件标志的函数fcntl来处理套接字。

  ⑺ tcp_c在接收到服务器的两个连接后,生成子进程tcp_c1调用函数Client_Receive用于接收数据,tcp_c则调用函数Client_Send用于发送数据。如果函数Client_Receive从循环中退出,就说明服务器通信软件已退出,于是子进程在退出之前要先杀掉父进程。

  其中s_process和c_process是分别运行在服务器上的服务器业务程序和运行在客户机上的客户业务进程。qid3,qid4和qid1,qid2是分别存在于服务器及客户机上的消息队列。

  tcp_s和tcp_c是分别运行在服务器和客户机上的通信软件。在客户机和服务器之间建立的两条连接是L1和L2,其中L1专用于客户机至服务器,L2专用于服务器至客户机。

  下面叙述图2中所示的数据传递过程,同时介绍用于数据接收和发送的四个函数。因为业务程序不知何时可以接收或发送消息,所以这四个函数都存在一个循环不断地试图接收或发送数据。表示消息的数据结构是sg_buf,消息由消息类别mtype及正文段mdata组成。

  正文段中存放的数据是无结构的,必须定义一种数据结构(struct),用结构中的各变量对mdata进行划分,从而使mdata中的数据可以被理解和使用。还可将mdata前面的一部分区域划出来重新命名用作其他用途。消息在整个数据传递的过程中起类似“载体”的作用。

  ① 客户业务程序c_process从终端用户接收数据,先存放在一个结构中,然后将该结构的内容依照一定的格式拷入buf-mdata中,然后将buf以消息的形式放入消息队列qid1中。

  ② 进程tcp_c调用函数Client_Send从qid1中取得消息,然后往L1写给服务器。从qid1中取消息时对消息并不予于区别,凡在qid1中的消息都要由进程tcp_c来发送。

  ④ 服务器业务程序s_process从消息队列qid3中接收消息到buf,然后将buf-mdata转成结构,根据结构的内容对数据库进行操作。s_process处在一个循环中,一有消息就取走去作消息所要求的操作,对消息并不加以区别。如果没有消息函数msgrcv就处于堵塞状态。

  ⑤ s_process根据消息的内容访问数据库后将结果放在一个结构中,然后将该结构的内容拷到buf-mdata中,再将缓冲区buf以消息的形式放于消息队列qid4中,最后s_process又要继续循环再去接收新的消息。

  ⑦ 进程tcp_c1调用函数Client_Receive从L2读数据到buf中,将buf作为消息放入qid2中。如果函数read返回0则表示服务器通信程序已经退出,于是就中断循环。这里必须将消息的类别mtype设置为客户业务进程的进程号cpid,便于客户业务程序识别。

  ⑧ 客户业务程序c_process从消息队列qid2中取走mtype=pidc(自身进程号)的第一个消息放入缓冲区buf中,再将buf-mdata中的数据划分为结构,对该结构作处理后将最终结果显示给用户。 在①中c_process将数据发出后要在什么时候到qid2中去拿结果呢? 方法是一就消息发送出去后客户业务程序马上就到qid2中去拿结果,若没有给自己的消息则堵塞住直到消息到来。这里程序设计成在堵塞20秒后发出时钟警报,调用函数overtime作出超时反应。当时钟警报时如果函数msgrcv正处于堵塞状态也会退出并返回-1。

  这里就又存在一个问题,c_process在发送一个新消息后可能先接收到上一个因超时而未能被接收到的消息,解决这一问题最简单的方法就是发送消息之前给每个消息编号,如果接收到的消息的编号与发送的消息的编号不同则将消息从消息队列中删除,或者将消息取出后放在某一地方另行处理,然后继续等待接收正确编号的消息。删除消息的方法很简单,只要从消息队列中将消息取出就可以了。如果进程c_process被杀则迟到的消息由于其mtype表示的c_process已经不在运行,所以将会始终存在于消息队列中,直到客户机关机,因此在必要时也要对这些无主的消息作善后处理。

  通常一台服务器要连接多台客户机,而每台客户机由于支持多用户方式就会同时运行多个c_process进程。服务器如何准确地将消息送给哪一台客户机? 另外一台客户机上运行的每一个c_process进程如何正确地获取发送给自己的消息? 这是两个关键的问题。 第一个问题在前面已经讲述过,主要是通过消息的sid标志来区别的。第二个问题是这样解决,在第①步时c_process进程先将自身的进程号pidc放在buf-cpid中,该值在以后的传输过程中保持不变,在第⑦步再将cpid赋值给消息类别mtype。这样在第⑧时c_process进程就从消息队列qid2中取走消息类别mtype等于其自身进程号pidc的消息,而不会错将送给同一客户机别的c_process进程的消息拿走。(图3)

  │ │s_process │┌───┴┐│ │ ┌─→┤tcp_c1││┌─────┐│

  │ │服务程序 ││共享内存││ │ │ L2├─┬─┘││c_process1││

  │┌──┘ │ ┌─┤tcp_s1├←──┘ │ │ │ ②↑ ││ │

  │││qid3│ ├←┘ ├───┤ │ │ │ ││qid1│ ├←┘│ │

  ││├──┼─┤ ┌┤tcp_s2├─┼───┘ │ │├──┼─┤ │ │

  │││qid4│ ┼→─┘│ ├┐│┌────┐│ ││qid2│ ┼──┘ │

  │└────┘ │└→┤Client2 ││ └────┘ Client1 │

  └──────────────┘ L2└────┘└────────────┘

  在运行服务器通信软件之前应先创建共享内存和消息队列,创建共享内存的方法见文献[3]。本文共用到四个共享内存操作函数:shm_login(cport1,cport2,client_addr)在共享内存中申请一条记录将三个参数登记其中,并将flag标志设为i表示已经占用,同时根据记录的位置赋值给记录编号id。shm_logout(id)将共享内存中第id条记录删除,并将后面的记录前移,重新计算各条记录的编号。shm_info(id,type)根据type查询第id条记录的内容,比如type为GETS1时表示要查询s_socket1的值,当type等于GETLINKN时统计共享内存的记录总数。shm_update(id,s_socket1,s_socket2,linkf1,linkf2)修改第id条记录的内容,如果某个参数为零则不修改这个参数,如shm_update(n,s2,0,1,0)只修改s_socket1和linkf1的值,其余内容不作修改。在业务繁忙的情况下,有必要扩大消息队列的存储容量,下面的例子将消息队列qid3的容量扩大两倍。

  由于将服务器与客户机的连接登记在共享内存中,所以可以控制服务器与客户机的连接次数,在服务器接收到客户机的连接请求后可以先查询共享内存,如果与同一台客户机建立的连接次数已达到限定的数量时,服务器的守护进程就可以关闭掉已与客户机建立起来的初始连接,同时不再将客户机的端口号和IP地址登记在共享内存中,这样子进程也将不会再与客户机建立连接了。

  另外这种重复型服务器通信软件使用一个只读的套接字和一个只写的套接字,由于一个套接字都有独立的读缓冲区和写缓冲区,长度都是24k。于是只读的套接字就不会用到写缓冲区,只写的套接字就不会用到读缓冲区,为了节省系统资源有必要将套接字设置成只有一个缓冲区,比如将只读套接字的写缓冲区长度设置为0。

  在图2所示的仅是应用模式中的一种,本文提到的重复型服务器通信软件还可用于更复杂的情况。比如当客户机要与另一台客户机通信时就可用服务器作为中转站,从而不必在客户机之间建立连接。 比如通信子进程tcp_s1查询出目的客户机登记在共享内存第x条记录中,就将接收到的消息的sid置为x,这样子进程tcp_s2就可将消息送往第x台客户机,当然源客户机在发送的消息中应指明目的客户机的IP地址。这在客户机之间通信并不频繁的情况下很有用,因为这样就可减少所有的客户机都要相互建立连接的系统开销,有利于提高整个网络的运行效率。在某种特定的应用场合服务器在收到客户机的服务请求后,但因某种原因暂不能处理,于是就将消息存放起来,要等到条件成熟时服务器才能处理客户请求并将结果返回给客户机,此时客户机就不能认为这也是一个迟到的消息,应另行处理。

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