Select模式下級聯文件傳輸服務器的實現

邰非 林健偉 張開驍 王國棟

摘要：Select是Windows操作系統提供的一個API函數，它具備強大的網絡探測能力且使用方便。眾所周知，在阻塞模式下網絡通訊可能造成進程掛起，較為可靠的方法是采用非阻塞模式，但Windows底層所提供的socket函數在非阻塞方式下返回值可信度很低，如果通過Select模式結合超時處理來獲取返回狀態，會大大提升程序返回值的可信度。本文采用java語言來實現一個基于TCP/UDP協議的級聯文件傳輸服務器，其中利用Select模式對端口的可讀寫性進行探測。通過實際測試，在有效地防止進程掛起的同時能準確獲取返回值，從而正確判斷端口狀態，從側面增強系統的健壯性與可維護性。

關鍵詞：Select;阻塞模式;非阻塞模式

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）09-0048-03

0 引言

隨著互聯網的迅猛發展，網絡應用已經越來越廣泛地融入到各行各業，各種傳統設備、業務模式也正向網絡化、智能化、集成化方向發展。在其中網絡通訊扮演著一個重要且不可缺少角色，但由于各種軟、硬件及周邊環境等因素的影響，通訊網絡上的擁塞情況時常發生，這會造成數據在傳輸中產生丟包、抖動等現象，從而造成網絡性能指標下降。

近幾年對網絡擁塞問題的研究及提出的解決方案層出不窮，針對具體應用在一定程度上為提升網絡性能起到了很好的作用。本文則是通過Windows所提供的Select API[1]函數的功能與特點，結合實際用例，對網絡擁塞所造成的函數返回值不穩定性做了進一步的修正，從而給出穩定性、可靠性較高的返回值，為進一步查明網絡擁塞原因并給出解決方案提供了技術上的支持。

1 技術路線背景

1.1 Select簡介

選擇Select可以實現非阻塞式處理方式，此時進程或線程執行此函數時不必等待事件發生，一旦執行肯定返回，其返回值表示函數執行的情況，從中可獲取需要監視的文件描述符變化情況即：讀寫正常或是異常。

Select[1]的函數格式：int select（int maxfdp，fd_set *readfds，fd_set*writefds，fd_set *errorfds，struct timeval *timeout）;maxfdp為整型參數，在Unix系統中是指文件描述符的范圍，Windows中該參數值可以不設。*readfds結構體指針，用以存放文件描述符即文件句柄，可以是普通文件也可以是設備、管道、FIFO，主要提供讀狀態變化。*writefds指針變量則是負責文件句柄寫狀態獲取。*errorfds為記錄異常狀態的結構體指針。timeval結構體指針代表以秒或毫秒計量的時間值，這個參數至關重要，它可以使select處于三種狀態：（1）賦值NULL時是將Select置于阻塞狀態。（2）賦值為0時表示純粹的非阻塞函數，不管文件描述符是否有變化，都立刻返回繼續執行，文件無變化返回0，有變化返回一個正值。（3）賦值大于0則為超時時間，即select在timeout時間內阻塞，超時時間之內有事件到來就返回了，否則在超時后不管怎樣一定返回，返回值同上述。

1.2 基于Select的服務器架構與流程

圖1所示為級聯服務器和客戶端的物理部署圖，為了簡單起見，此處只給出了一個客戶端連接狀態，各級服務器上運行的服務進程是相同的，它們之間通過TCP[2-3]連接。客戶端與服務器端下載文件通道則使用UDP[2-3]。

圖2給出了文件查找和傳輸的流程，服務器首先要進行初始化，客戶端發起下載文件請求給第一個級聯服務器，該服務器查詢本地文件，如果有則推送文件，如果沒有則轉發到下一級級聯服務器，依此類推直到最后一級級聯服務器，如果沒有查到文件則仍依次將錯誤信息返回給客戶端。

在服務器與服務器以及服務器與客戶端之間通訊中，我們采用了Select模式去探測可能出現的各種通訊故障，通過返回值及時給出應對處理。部分關鍵代碼[4]如圖3所述。

2 實現算法描述

文件服務器有三個通訊端口：P、P+1、P+2。服務器啟動時P端口進行UDP[2-3]監聽，主要負責接收查詢字符協議。P+1進行TCP[2-3]監聽，用以維護服務器間的連接。P+2進行UDP[2-3]監聽，響應自客戶端的初始化通知。

考慮到客戶端是不斷變動的，此處用UDP監聽是利用其無狀態特性，如果用TCP則會出現TIME_WAIT，每四分鐘才可重新連接，效率極低。P+1和P+2端口只要其中一個收到上一級服務器的初始化數據包，另一個則會自動關閉，從而節省資源。對于中間（非最后）服務器和客戶端則需要在啟動和查尋時通知下一級服務器，客戶端利用UDP協議連接下一級服務器的P+2端口，服務器用轉發端口連接下一級服務器的P+1端口。所有服務器初始化完成后，一個通暢的文件傳輸網絡就構建起來[5]。

客戶端請求發出到服務器上，服務器將查找本地共享目錄中是否有該文件。沒有則將查找請求發送到自己的下一服務器。如果有該文件則發送文件到客戶端。對于非第一服務器，如果有該文件將會把結果發送到上服務器的TEMP端口，而TEMP端口繼續轉發直到客戶端。而當查找請求到最后服務器時，還沒有該文件，將返回字符串“wrong！”到上一服務器的TEMP端口，直到服務器，服務器會給出找不到該文件的提示。

圖4中給出了客戶端、中間服務器、終端服務器關鍵線程調用時序圖[6]，客戶端設置了兩類超時，一是初始化通訊超時，另一個則為接收文件超時，主要用以提高交互的效率。服務器端則提供更新實際存儲文件服務器IP地址的線程服務，也是基于效率考慮的。

3 結語

在文件服務器與客戶端程序中使用Select實時對網絡的通訊狀態進行監控，有利于及時獲取網絡狀態，以便做更進一步的優化擴展。本文中將這種便捷用于文件傳輸服務器上，從實際使用效果來看能很好地應對網絡異常情況下的策略調整，當然程序還有進一步優化的空間，另外這種模式也可以用在其它復雜環境下的網絡通訊程序之中。

參考文獻

[1] Jeffrey Richter.Windows核心編程（第5版 中文版）[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2] W.RICHARD STEVENS.TCP/IP Illustrated Volume 1（The Protocols）[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3] 孫曉剛.面向軟件工程的Visula C++網絡程序開發[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4] BJARNE STROUSTRUP.The C++ Programming Language（special Edition）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5] Martin Fowler.重構：改善既有代碼的設計（中文版）[M].北京：中國電力出版社，2006.

[6] James Rumbaugh.The Unified Modeling Language Reference Manual[M].the United States of America：Addison Wesley Longman，Inc，1998.