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UNIX網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器程序設(shè)計(jì)方法（劉凱 劉春旭，四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院）摘要：介紹了幾種網(wǎng)絡(luò)操作模式和UNIX下基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)客戶/服務(wù)器模式的程序架構(gòu)。重點(diǎn)對(duì)客戶/服務(wù)器模式中服務(wù)器程序的幾種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：客戶/服務(wù)器，Socket，進(jìn)程，并發(fā)服務(wù)器1引言11幾種網(wǎng)絡(luò)模式的介紹對(duì)等網(wǎng)絡(luò)（PeertoPeer）模式不需要專用服務(wù)器，每一臺(tái)工作站都能充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的請(qǐng)求者和提供者，都有絕對(duì)自主權(quán)，也可以互相交換文件。這種類型的網(wǎng)絡(luò)軟件被設(shè)計(jì)成每一個(gè)實(shí)體都能完成相同或相似的功能。服務(wù)器（ServerBased）模式以服務(wù)器為中心，嚴(yán)格地定義了每一個(gè)實(shí)體的工作角色，即網(wǎng)絡(luò)上的工作站無法在彼此間直接進(jìn)行文件傳輸，需通過服務(wù)器作為媒介，所有的文件讀取，消息傳送等也都在服務(wù)器的掌握之中?？蛻?服務(wù)器（Client/Server）模式（有時(shí)也稱為主從式Master/Slave）指將需要處理的工作分配給客戶端和服務(wù)器端處理，所謂的客戶和服務(wù)器并沒有一定的界限，這取決于運(yùn)行什么軟件，簡(jiǎn)單的講，客戶是提出服務(wù)請(qǐng)求的一方，而服務(wù)器是提供服務(wù)的一方。在客戶/服務(wù)器模式中服務(wù)器端所提供的功能不僅僅是文件、數(shù)據(jù)庫(kù)等服務(wù)，還應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)的計(jì)算、通信等能力也就是說在工作時(shí)由客戶端和服務(wù)器端各自負(fù)擔(dān)一部分計(jì)算或通信的功能?？蛻?服務(wù)器模式已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互連中最重要的應(yīng)用技術(shù)之一，它把一個(gè)大型的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)變?yōu)槎鄠€(gè)能互為獨(dú)立的子系統(tǒng)，而服務(wù)器便是整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)資源的存儲(chǔ)與管理中心，多臺(tái)客戶機(jī)則各自處理相應(yīng)的功能，共同實(shí)現(xiàn)完整的應(yīng)用。瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server）模式從本質(zhì)上將，仍然是客戶/服務(wù)器模式（是客戶/服務(wù)器模式的特例）。只不過在某些應(yīng)用方面，如數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，它將傳統(tǒng)的二層客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)發(fā)展成三層的客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)并在Internet上應(yīng)用而已。在上述幾種模式中，客戶/服務(wù)器模式具有靈活多變的體系結(jié)構(gòu)、豐富的開發(fā)環(huán)境和強(qiáng)大的設(shè)備驅(qū)動(dòng)能力。12本文所采用的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序編程接口網(wǎng)絡(luò)程序之間進(jìn)行通訊，必須建立在一定的通訊協(xié)議基礎(chǔ)之上。對(duì)于UNIX下的應(yīng)用程序，可用的協(xié)議有TCP/IP的傳輸控制協(xié)議TCP（Transmission Control Protocol）和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP（User Datagram Protocol），XNS（Xerox Network System）的定序分組協(xié)議SPP（Sequential Pocket Protocol）和網(wǎng)際數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議IDP（Internetwork Datagram Protocol）以及ARPANET的接口報(bào)文處理機(jī)鏈路IMPLINK（Interface Message Processor Link）等。因?yàn)镮nternet的普及，使得TCP/IP成為使用最廣泛的協(xié)議。UNIX下基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序編程接口API（Application Programming Interface）有兩種：源自BSD UNIX的Socket API和AT&T的傳輸層接口TLI（Transport Layer Interface）的超集X/Open傳輸接口XTI（X/Open Transport Interface）。這兩種API都是面向客戶/服務(wù)器模式的。由于Socket API已經(jīng)成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，因此本文在介紹服務(wù)器端程序的設(shè)計(jì)方法時(shí)也采用Socket API。2客戶/服務(wù)器模式的Socket實(shí)現(xiàn)框架21 TCP/IP Socket的基本原理。TCP/IP對(duì)外提供的只是編程接口而非用戶服務(wù)，真正的用戶服務(wù)還得靠編寫相應(yīng)的服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn)。TCP/IP的Socket API編程接口構(gòu)成了使用協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序視圖。服務(wù)程序客戶程序Socket APITCP/IP協(xié)議物理介質(zhì)圖1網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序、Socket API和TCP/IP的關(guān)系Socket API在BSD UNIX中首次提出，其目的是為了解決網(wǎng)絡(luò)間程序通訊的問題。就其原理而言，面向連接的Socket類似于電話系統(tǒng)，無連接的Socket類似于電報(bào)系統(tǒng)。Socket實(shí)質(zhì)上是為網(wǎng)絡(luò)程序提供了通訊的端點(diǎn)號(hào)。對(duì)于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)程序的一個(gè)Socket，它首先有一個(gè)半相關(guān)的端點(diǎn)號(hào)的描述：協(xié)議，本地地址，本地端口，如果它是與另一個(gè)Socket連接了的，則有一個(gè)相關(guān)的端點(diǎn)描述：協(xié)議，本地地址，本地端口，遠(yuǎn)程地址，遠(yuǎn)程端口。每個(gè)Socket有一個(gè)本地唯一的由操作系統(tǒng)分配的編號(hào)。22 Socket 的系統(tǒng)調(diào)用Socket是面向客戶/服務(wù)器模式設(shè)計(jì)的，它針對(duì)客戶和服務(wù)器程序提供了不同的系統(tǒng)調(diào)用。同時(shí)它還分為面向連接和無連接兩種類型。下表列出了Socket API的基本函數(shù)（這里就不對(duì)調(diào)用參數(shù)進(jìn)行說明了）。 表1 基本的Socket系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)名用途使用者相關(guān)協(xié)議說明socket建立一個(gè)通訊端點(diǎn)客戶、服務(wù)器TCP、UDPbind為一個(gè)連接的本地socket賦名客戶、服務(wù)器TCP、UDP使用TCP時(shí)，使用者為服務(wù)器；使用UDP時(shí)，使用者為客戶listen監(jiān)聽socket上的連接服務(wù)器TCPaccept接受socket上的連接服務(wù)器TCPconnect對(duì)socket進(jìn)行連接初始化客戶TCPread從socket接收信息客戶、服務(wù)器TCPwrite向socket發(fā)送信息客戶、服務(wù)器TCPrecvfrom從socket接收信息客戶、服務(wù)器UDPsendto向socket發(fā)送信息客戶、服務(wù)器UDPclose關(guān)閉socket客戶、服務(wù)器TCP、UDP23面向連接和無連接的客戶/服務(wù)器模式的程序流程框架圖服務(wù)器socket ( )服務(wù)響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求建立連接處理服務(wù)請(qǐng)求bind ( )listen ( )accept ( )阻塞并等待客戶的連接請(qǐng)求read ( )write ( )客戶socket ( )connect ( )write ( )read ( )圖2 面向連接的客戶/服務(wù)器模式服務(wù)器服務(wù)響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求bind（）recvfrom（）阻塞并等待客戶數(shù)據(jù)處理服務(wù)請(qǐng)求sendto（）socket（）客戶recvfrom（）sendto（）bind（）socket（）圖3 無連接的客戶/服務(wù)器模式3服務(wù)器程序的設(shè)計(jì)方法31總述客戶程序一般比較簡(jiǎn)單，而服務(wù)器程序就比較復(fù)雜了，因?yàn)閷?duì)服務(wù)器程序的設(shè)計(jì)，必須考慮到其響應(yīng)速度和響應(yīng)能力等服務(wù)性能因數(shù)。本文主要討論的是面向連接的服務(wù)器程序設(shè)計(jì)方法。總體上服務(wù)器程序可分為兩類：并發(fā)服務(wù)器（Concurrent Server）和串行服務(wù)器（Iterative Server）。前者主要針對(duì)實(shí)時(shí)性的客戶/服務(wù)器模式，后者主要針對(duì)服務(wù)量小的客戶/服務(wù)器模式。32 TCP串行服務(wù)器程序串行服務(wù)器程序是這樣的：每次它只能為一個(gè)連接過來的客戶程序提供服務(wù)，只有在完全處理了一個(gè)客戶的請(qǐng)求后，才能響應(yīng)下一個(gè)客戶的請(qǐng)求，即按照FIFO的原則響應(yīng)請(qǐng)求。一般很少使用串行服務(wù)器程序，不過諸如時(shí)間/日期等服務(wù)量小的且實(shí)時(shí)性要求不高的服務(wù)器程序可以使用該方式。從進(jìn)程控制的角度來講，該方式的速度是最快的，因?yàn)樗贿M(jìn)行進(jìn)程控制，系統(tǒng)開銷小。33 傳統(tǒng)的TCP進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器程序在這種方式下，并發(fā)服務(wù)器程序在收到客戶程序請(qǐng)求后，派生出一個(gè)子進(jìn)程來為該客戶程序服務(wù)，自己則回到等待狀態(tài)，準(zhǔn)備接收下一個(gè)客戶程序的請(qǐng)求，子進(jìn)程在服務(wù)完成后退出。其中，作為父進(jìn)程的并發(fā)服務(wù)器程序成為主服務(wù)器（master），具體處理客戶請(qǐng)求的子進(jìn)程成為從服務(wù)器（slave）。響應(yīng)子進(jìn)程接管連接客戶程序slave服務(wù)請(qǐng)求父進(jìn)程返回生成子進(jìn)程fork（）連接connect（）處理請(qǐng)求master接受客戶請(qǐng)求accecp（）圖4 傳統(tǒng)的TCP進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器程序框架并發(fā)服務(wù)器的問題在于派生子進(jìn)程（fork（）操作）時(shí)會(huì)消耗CPU的很多時(shí)間，這對(duì)需要響應(yīng)數(shù)目眾多的客戶進(jìn)程的服務(wù)器進(jìn)程所在的系統(tǒng)是極為不利的，例如對(duì)于Web服務(wù)器就是這樣。34 TCP預(yù)先派生子進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器程序在傳統(tǒng)的TCP進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器程序的基礎(chǔ)上，可以對(duì)響應(yīng)方式進(jìn)行一些改造。傳統(tǒng)的TCP進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器程序的響應(yīng)方式是即響應(yīng)即派生子進(jìn)程。現(xiàn)在將這種方式改變?yōu)椋悍?wù)器程序啟動(dòng)后就先生成若干子進(jìn)程以備響應(yīng)，這些子進(jìn)程構(gòu)成服務(wù)子進(jìn)程組，而父進(jìn)程則成了監(jiān)控進(jìn)程。fork可用子進(jìn)程組父進(jìn)程子進(jìn)程1子進(jìn)程2子進(jìn)程3客戶2客戶1子進(jìn)程N(yùn)圖5 TCP預(yù)先派生子進(jìn)程這里需要解決的問題是：怎樣保持一定量的可用子進(jìn)程；服務(wù)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，喚醒子進(jìn)程的機(jī)制應(yīng)該怎樣以及父進(jìn)程怎樣將必要的信息傳遞給子進(jìn)程。父進(jìn)程監(jiān)視可用子進(jìn)程的數(shù)量，當(dāng)數(shù)量低于某個(gè)閾值時(shí)就再派生一些子進(jìn)程，當(dāng)數(shù)量高于某個(gè)閾值時(shí)就終止一些可用子進(jìn)程。當(dāng)然，總的子進(jìn)程數(shù)量也應(yīng)當(dāng)有個(gè)上限值，以防止系統(tǒng)資源消耗完。這樣就使得可用子進(jìn)程數(shù)及總的子進(jìn)程數(shù)保持在一定范圍之內(nèi)了。預(yù)先生成得子進(jìn)程在各自調(diào)用accept（）后進(jìn)入睡眠狀態(tài)。由于這些子進(jìn)程共用一個(gè)socket結(jié)構(gòu)，當(dāng)一個(gè)可戶請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，就會(huì)造成驚群（thundering herd）喚醒所有的子進(jìn)程。當(dāng)然，只有最先被調(diào)度的子進(jìn)程才會(huì)獲得客戶的連接，其他的子進(jìn)程會(huì)再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)。這種情況會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。解決這個(gè)問題的方法是給accept上鎖，即保證accept操作的原子性。有些UNIX系統(tǒng)在內(nèi)核已經(jīng)解決了這一問題，就無須再給accept上鎖了。如果子進(jìn)程只是父進(jìn)程的副本，基本上就不用額外考慮進(jìn)程通訊的問題了。如果將父進(jìn)程改造成類似于inetd的守護(hù)進(jìn)程（啟動(dòng)后先調(diào)用fork（）生成子進(jìn)程，再通過exec系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行服務(wù)處理程序），就必須解決父進(jìn)程同子進(jìn)程之間的通訊問題。UNIX下進(jìn)程通訊的機(jī)制有多種，如管道（pipe），具名管道（named pipe），IPC消息（InterProcess Communication Message）等。這里我們使用IPC消息隊(duì)列來向子進(jìn)程傳遞socket描述字。消息隊(duì)列客戶1客戶2父進(jìn)程子進(jìn)程1子進(jìn)程2子進(jìn)程3可用子進(jìn)程組子進(jìn)程N(yùn)圖6 使用IPC消息機(jī)制的TCP預(yù)先派生子進(jìn)程方法35 TCP線程并發(fā)服務(wù)器程序線程的執(zhí)行效率比進(jìn)程高10到100倍。編寫線程函數(shù)時(shí)必須注意函數(shù)的線程安全性。并非所有的UNIX系統(tǒng)或同種UNIX的不同版本都支持線程。由于在方法上線程服務(wù)器程序同進(jìn)程服務(wù)器程序的設(shè)計(jì)差不多，這里就不作多的描述了。4結(jié)束語編程人員在編寫具體的服務(wù)器程序時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體的應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)性能等情況，盡可能地提高服務(wù)效率和網(wǎng)絡(luò)安全性。參考文獻(xiàn)1網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的分類lease.qz.f