codefans

內(nèi)容： 介紹 程序設(shè)計 程序測試 結(jié)論 關(guān)于作者

蔣清野 (qjiang@ieee.org)
美國導(dǎo)航與控制公司

本文介紹了網(wǎng)絡(luò)通訊中通用的傳輸控制協(xié)議(TCP)和用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(UDP)，并且利用Java語言設(shè)計了一個簡單的基于UDP 數(shù)據(jù)廣播的局域網(wǎng)絡(luò)會議程序，展示了 在Java語言中進(jìn)行UDP 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的一般步驟。由于Java語言卓越的跨平臺特性，本系統(tǒng)能夠不加修改的運行在Windows, Linux, Mac OS等一系列不同平臺上。

介紹
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，網(wǎng)絡(luò)會議在公司、企業(yè)和單位中的應(yīng)用也越來越廣。一個網(wǎng)絡(luò)會議系統(tǒng)通常包括一個服務(wù)器程序和一個客戶端程序。其中服務(wù)器端負(fù)責(zé)進(jìn)行用戶管理、信息交互以及表決統(tǒng)計；客戶端則實現(xiàn)收聽發(fā)言，公開發(fā)言，私下討論、投票表決等功能。在一個網(wǎng)絡(luò)會議系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)中，通常涉及到圖形用戶界面設(shè)計，TCP/IP連接，UDP 數(shù)據(jù)廣播，多線程等一系列技術(shù)。本文通過一個簡單示例程序，展示了在Java語言中進(jìn)行UDP 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的一般步驟以及UDP 數(shù)據(jù) 廣播在局域網(wǎng)絡(luò)會議系統(tǒng)中的作用。

TCP (Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議) 是一種基于連接的通訊協(xié)議。當(dāng)兩臺計算機(jī)之間需要進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸時，它們通過網(wǎng)絡(luò)建立起一個穩(wěn)定的連接，這種連接通常也被稱為數(shù)據(jù)鏈。與電話網(wǎng)絡(luò)相類似，這種數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)屈c對點的，通訊的雙方則通過這條數(shù)據(jù)鏈來回傳輸數(shù)據(jù)。在這條穩(wěn)定的數(shù)據(jù)鏈的基礎(chǔ)上，TCP 協(xié)議通過信息校驗?zāi)軌虮ＷC接收方所接收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送方所發(fā)送的數(shù)據(jù)在內(nèi)容和順序上是完全一致的，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

UDP (User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議)與TCP 協(xié)議之間的不同在于 UDP 不是一種基于穩(wěn)定連接的通訊協(xié)議。UDP 協(xié)議將獨立的數(shù)據(jù)包從一臺計算機(jī)傳輸?shù)搅硗庖慌_計算機(jī)，但是并不保證接受方能夠接收到該數(shù)據(jù)包，也不保證接收方所接收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送方所發(fā)送的數(shù)據(jù)在內(nèi)容和順序上是完全一致的。因此，UDP 協(xié)議更類似于普通郵政服務(wù)，寄信人不能夠保證所寄出去的信能夠被收信人及時收到，后發(fā)出的信也許會比先發(fā)出的信更早到達(dá)。

對于很多應(yīng)用程序來說，在互相通訊的兩臺計算機(jī)之間保證一個可靠與穩(wěn)定的數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)侵陵P(guān)重要的。在這種情況下，就應(yīng)該首先考慮使用TCP 協(xié)議在涼臺計算機(jī) 之間建立起TCP/IP連接。在HTTP (Hyper-Text Transfer Protocol，超級文本傳輸 協(xié)議)、FTP (File Transfer Protocol，文件傳輸協(xié)議)以及TELNET 應(yīng)用程序中，均要求在通訊的雙方之間建立起穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)鏈，因此它們都使用了TCP 協(xié)議來 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

在TCP 協(xié)議中，發(fā)送方和接收方必須交換額外的信息以保證接收方已經(jīng)接收到所發(fā)送的數(shù)據(jù)包并且所接收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送方所發(fā)送的數(shù)據(jù)在內(nèi)容和順序上是完全一致的。這些額外的信息交換提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽慷龋且步o網(wǎng)絡(luò)帶來了額外的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換的延遲，從而降低了整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換能力。對于某些對實時性要求較高的應(yīng)用程序來說，這樣的延遲有可能是不可接受的。例如一個毫秒級的時鐘服務(wù)器按照一定的頻率向客戶機(jī)提供當(dāng)時的時間數(shù)據(jù)，如果這些時間數(shù)據(jù)在傳輸過程中受到了較大的延遲，這些過時的時間數(shù)據(jù)是完全沒有意義的，即使客戶機(jī)準(zhǔn)確無誤的接收到了這些數(shù)據(jù)。相反，如果客戶機(jī)所接收到的每一個數(shù)據(jù)包都是實時的，那么即使客戶機(jī)錯過了一兩個數(shù)據(jù)包也是可以接受的，因為他總是可以根據(jù)后面所接收到的數(shù)據(jù)包來對自己進(jìn)行校正。因此，對于對實時性要求比較高但是對傳輸可靠度要求比較低的應(yīng)用程序來說，UDP 協(xié)議顯然是一個合適的選擇。

在通用的以太網(wǎng)(Ehternet)構(gòu)架下，計算機(jī)于計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換都是通過交換機(jī)來完成的。如果一份數(shù)據(jù)需要被傳送給多個接收者，在使用TCP/IP連接的情況下，數(shù)據(jù)發(fā)送者需要向交換機(jī)發(fā)送N 個同樣的拷貝，而交換機(jī)則負(fù)責(zé)將這N 個拷 貝分發(fā)給所有的接收者；在使用UDP 數(shù)據(jù)廣播的情況下，數(shù)據(jù)發(fā)送者只需要向交換機(jī)發(fā)送一個拷貝，交換機(jī)負(fù)責(zé)將這個信息制作N 個拷貝發(fā)送給所有的機(jī)器。在這種情況下，使用TCP/IP連接會大大的增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。在一個普通局域網(wǎng)絡(luò)中，可以認(rèn)為由于網(wǎng)絡(luò)狀況較差而造成數(shù)據(jù)丟失的可能性比較小，而利用UDP 數(shù)據(jù)廣播進(jìn)行 數(shù)據(jù)交換能夠大幅度減輕網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，因此設(shè)計一個基于UDP 數(shù)據(jù)廣播的局域網(wǎng)絡(luò) 會議系統(tǒng)式完全可行的。

通常來說，一臺計算機(jī)只有一個物理界面與網(wǎng)絡(luò)相連接，所有的應(yīng)用程序均通過該物理界面從網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)或者將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。由于一個網(wǎng)絡(luò)上同時存在多臺計算機(jī)，并且一臺計算機(jī)上有可能同時存在多個應(yīng)用程序需要與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，我們通常使用IP和端口號來識別需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的計算機(jī)和應(yīng)用程序。每臺計算機(jī)由一個32位的IP地址來識別，在一個網(wǎng)絡(luò)中，每臺計算機(jī)的IP地址都是唯一的，因此應(yīng)用程序能夠根據(jù)IP地址來將數(shù)據(jù)發(fā)送到正確的計算機(jī)。每個需要與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用程序均被系統(tǒng)分配一個16位的端口號，系統(tǒng)根據(jù)這個端口號將從網(wǎng)絡(luò)接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給相對應(yīng)的應(yīng)用程序。端口號的范圍是從0 到65535 ，其 中從0 到1023被系統(tǒng)所保留，主要是用來提供HTTP, FTP 以及TELNET等系統(tǒng)服務(wù)，因此用戶自己的應(yīng)用程序不應(yīng)該試圖去使用小于1023的端口。

Java語言的一個顯著優(yōu)點就是它從語言的高度上提供了對網(wǎng)絡(luò)的支持，使得程序員能夠很容易的構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序。在Java 1.3版的標(biāo)準(zhǔn)類庫java.net中 提供了5 個接口以及21個Java類，在這些接口和類的基礎(chǔ)上，程序員能夠輕易的實現(xiàn)幾乎是所有的常見網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。例如，ServerSocket能夠用來構(gòu)建基于TCP/IP的服務(wù)器程序，Socket能夠用來構(gòu)建基于TCP/IP的客戶端程序，而DatagramPacket以及 DatagramSocket能夠用來構(gòu)建基于UDP 的數(shù)據(jù)廣播程序。在java.net中的其他Java 庫能夠被用來實現(xiàn)域名解析、身份認(rèn)證、安全許可等一系列功能。由于這些Java庫的功能和具體用法等內(nèi)容已經(jīng)超出了本文的討論范圍，感興趣的讀者可以進(jìn)一步參考Java的文檔以及Sun 公司的Java Tutorial等資料。

這個簡單的程序包括如下三個模塊：

1. 數(shù)據(jù)廣播與接收模塊-- Broadcast.java
2. 數(shù)據(jù)接收線程 -- Receiver.java
3. 圖形用戶界面 -- Chat.java

程序設(shè)計
數(shù)據(jù)廣播與接收模塊Broadcast.java是本示例程序的核心部分。該類包括一個構(gòu)造方法，一個數(shù)據(jù)發(fā)送方法和一個數(shù)據(jù)接收方法。為了使這個類能夠被更加廣泛的應(yīng)用到其它應(yīng)用程序中，作者又添加了一個端口配置方法。

在構(gòu)造方法中，我們首先利用InetAddress 定義一個數(shù)據(jù)廣播組，同時構(gòu)造一個用于發(fā)送數(shù)據(jù)的DatagramSocket與一個用于接收數(shù)據(jù)的MulticastSocket。在這 里我們使用230.0.0.1 來作為數(shù)據(jù)廣播組的標(biāo)示符，雖然這個標(biāo)示符與IP地址的格式相同，但是它并不表示Internet上的一臺機(jī)器。此外，我們在端口配置方法中分別指定1235端口和1236端口位數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收端口。如果把一個UDP 數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)比喻成無線電廣播系統(tǒng)的話，數(shù)據(jù)廣播標(biāo)示符可以被認(rèn)為是波段，而數(shù)據(jù)接收端口可以被認(rèn)為是頻率。收音機(jī)用戶必須把收音機(jī)調(diào)整到相應(yīng)的波段和頻率才能夠接收到電臺信號，我們的UDP 數(shù)據(jù)接收程序也必須加入相對應(yīng)的數(shù)據(jù)廣播組并且使用正確的數(shù)據(jù)接收端口才能夠正確的接收到UDP 廣播數(shù)據(jù)。在構(gòu)造方法中，我們利 用MulticastSocket 的構(gòu)造函數(shù)指定數(shù)據(jù)接收端口(頻率)，并利用其joinGroup 方法指定數(shù)據(jù)廣播組(波段)。

public Broadcast()
    {
        GetBroadcastPorts();
        try
        {
                // 構(gòu)造數(shù)據(jù)廣播組標(biāo)示符 (波段)
            BroadcastGroup = InetAddress.getByName("230.0.0.1");
                // 構(gòu)造數(shù)據(jù)發(fā)送端口
            Sender         = new DatagramSocket(ServerPort);
                // 構(gòu)造數(shù)據(jù)接收端口 (頻率)
            Receiver       = new MulticastSocket(ClientPort);
                // 指定數(shù)據(jù)接收端口的數(shù)據(jù)廣播組 (波段)
            Receiver.joinGroup(BroadcastGroup);
        } catch (Exception e) {}
    }

在數(shù)據(jù)發(fā)送方法中，我們基于用戶所提供的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)廣播目標(biāo)端口(頻率) 構(gòu)造一個DatagramPacket數(shù)據(jù)包，然后利用發(fā)送數(shù)據(jù)的DatagramSocket的send方法將該數(shù)據(jù)包發(fā)送到局域網(wǎng)。與此相反，在數(shù)據(jù)接收方法中，我們首先構(gòu)造一個空的 DatagramPacket數(shù)據(jù)包，然后利用接收數(shù)據(jù)的MulticastSocket的receive方法填充該數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容。為了避免由于數(shù)據(jù)包大小不同所造成的數(shù)據(jù)丟失等麻煩，我們特地將兩個數(shù)據(jù)包的大小設(shè)置成一樣的。

   // 數(shù)據(jù)發(fā)送方法
    public void SendData(String Msg)
    {
        byte[] b = new byte[1024];
        DatagramPacket packet;
        try
        {
            // 字節(jié)序列b 包括需要發(fā)送的數(shù)據(jù)
            b = Msg.getBytes();
            // 構(gòu)造一個數(shù)據(jù)包，BroadcastGroup是數(shù)據(jù)廣播組標(biāo)示符(波段)，
            // ClientPort是數(shù)據(jù)廣播目標(biāo)端口(頻率)。
            packet = new DatagramPacket(b, b.length, BroadcastGroup, ClientPort);
            // 發(fā)送數(shù)據(jù)包
            Sender.send(packet);
        } catch (Exception e) {}
    }
    
    // 數(shù)據(jù)接收方法
    public String ReceiveData()
    {
        byte[] b = new byte[1024];
        // 構(gòu)造一個空的數(shù)據(jù)包
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(b, 1024);
        String InMsg;           
        try
        {
                // 接收數(shù)據(jù)
            Receiver.receive(packet);
    } catch (IOException e) {}
    // 叢數(shù)據(jù)包中獲得接收到的數(shù)據(jù)
        b = packet.getData();
        InMsg = new String(b);
    return InMsg;   
    }

數(shù)據(jù)接收線程Receiver.java的任務(wù)是接收廣播數(shù)據(jù)并更新圖形用戶界面。該類的構(gòu)造函數(shù)包括兩個參數(shù)，參數(shù)listener指定用來接收數(shù)據(jù)的Broadcast對象，參數(shù) display則指定用來顯示會議內(nèi)容的TextArea對象。在其運行方法run 中，循環(huán)調(diào)用 Broadcast對象的數(shù)據(jù)接收方法ReceiveData 接收廣播數(shù)據(jù)，并且利用TextArea對象的append方法將新接收到的內(nèi)容顯示到圖形用戶界面上。

public class Receiver extends Thread
{
    Broadcast Listener;
    TextArea  Display;
    String    InMsg;
    
        // 構(gòu)造方法
    public Receiver(Broadcast listener, TextArea display )
    {
                // Listener 是一個數(shù)據(jù)發(fā)送與接收對象，用來接收數(shù)據(jù)。
        Listener = listener;
                / Display是一個TextArea對象，用來顯示會議內(nèi)容。
        Display  = display;
    }
    
        // 運行方法
    public void run()
    {
        while(true)
        {
                        // 接收廣播數(shù)據(jù)
            InMsg = Listener.ReceiveData();
                        // 更新圖形用戶界面
            Display.append(InMsg);
            Display.append("\n");
        }
    }
}

圖形用戶界面chat.java是基于Java抽象窗口工具包AWT構(gòu)建的。該界面包括一個用來顯示會議內(nèi)容TextArea，一個用來接收用戶輸入的TextField ，以及一個數(shù)據(jù)發(fā)送命令按鈕。在Chat的構(gòu)造方法中，我們首先創(chuàng)建圖形界面，構(gòu)造一個數(shù)據(jù)發(fā)送與接收對象和一個數(shù)據(jù)接收線程，然后啟動該線程開始接收會議信息。在這個方法中，我們還利用InetAddress.getLocalHost()方法來獲得用戶的機(jī)器名，這個標(biāo)示符被用來作為用戶在網(wǎng)絡(luò)會議中的用戶名。

   // 構(gòu)造方法
    public Chat()
    {
        // 創(chuàng)建圖形界面
            add(CreateGui());
                // ....
        // 其它操作
        // ....
            // 構(gòu)造一個數(shù)據(jù)發(fā)送與接收對象
            Device = new Broadcast();
        // 構(gòu)造一個數(shù)據(jù)接收線程
            Receiver Recv = new Receiver(Device, InMsg);
            Recv.start();
    }

程序測試
利用JDK 1.3編譯以上所有源代碼：
javac *.java

啟動網(wǎng)絡(luò)會議程序：
java Chat

本示例程序在一個包括Windows 98，Windows 2000，Red Hat Linux 6.1/7.0，Mac OS，Sun Solaris等多種操作系統(tǒng)的局域網(wǎng)絡(luò)中通過測試。

結(jié)論
本文介紹了網(wǎng)絡(luò)通訊中通用的傳輸控制協(xié)議(TCP)和用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(UDP)，并且利用Java語言設(shè)計了一個簡單的基于UDP 數(shù)據(jù)廣播的局域網(wǎng)絡(luò)會議程序，展示了在Java語言中進(jìn)行UDP 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的一般步驟。本示例程序說明利用UDP 數(shù)據(jù)廣播能夠輕易實現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)會議的一般功能。由于Java語言卓越的跨平臺特性，一個基于Java的局域網(wǎng)絡(luò)會議系統(tǒng)夠不加修改的運行在一系列不同平臺上。