HP―UNIX下IO多路复用网络服务器的设计方案

摘 要：文章首先介绍了TCP网络服务器实现的思路，然后详细描述了用到的相关技术。在文中还详细介绍了实现IO多路复用的服务器的设计方案。最后介绍了网络编程的最新的发展情况和新的技术。文中提到的TCP网络服务器指的都是以软件方式运行的服务器，而非硬件服务器。

关键词：TCP协议；网络服务器SOCKET编程；HP-UNIX；多路复用；阻塞

中图分类号：TP393.09

1 TCP网络服务器概述

当今社会是网络时代，计算机和网络通信技术的发展，使得电脑已经走进了千家万户。我们平时上网浏览网页、收发邮件、下载文件，其实都是在和TCP网络服务器打交道，打开电脑连接网络，其实都是在和居于幕后的各种各样的服务器做交流。在日常应用中，我们经常接触到的服务器有数据库服务器、WEB服务器、FTP服务器、邮件服务器以及各种媒体服务器，它们都是以软件的方式来实现，然后运行在硬件服务器上。

HP-UNIX是一个网络操作系统，同是它也是一个商业操作系统，安装并运行在专用的硬件服务器。它是UNIX操作系统的一个分支，支持各种网络编程技术，同时也支持多进程和多线程。服务器编程，用到的技术主要有SOCKET网络编程，涉及到的是传输层的TCP/IP协议。对于重要的网络服务应用，基本都是IO多路复用的并发服务器。

2 系统设计基本原则

2.1 支持并发。所谓并发，对于网络服务器而言，就是在同一时间内发生的客户访问。服务器必须支持同一时间多个客户端的连接；在编程实现上，一种技术是IO多路复用，另一种技术是使用多进程或者多线程。

2.2 减少资源占用。根据请求的业务逻辑，实现最快的时间响应和最小的时间延迟；服务器在运行时，尽量减少占用服务器资源，包括内存、CPU使用率等等。

2.3 运行稳定。系统能够7*24小时不间断运行，并且工作正常。

2.4 系统自维护。输出运行信息，便于用户进行系统维护和诊断系统运行故障。

3 设计方案

3.1 IO复用方案。一种是通过非阻塞的方式实现。在这种方式下，服务器仅仅注意检查是否有客户在等待连接，有就接受连接；在没有客户在等待时accept调用立即返回。同样，如果有用户发送了数据则recv接收数据，如果没有接收到数据，recv也会立刻返回。但是这种轮询会占用CPU资源，使CPU处于忙碌中工作状态，从而降低性能。

另一种是使用select函数来实现。调用非阻塞的socket会大大地浪费系统资源。而调用select（）会有效地解决这个问题，它可以把服务器进程本身挂起来。它使用系统内核监听服务器已接收的所有文件描述符，包括读写和连接在内的任何活动，只要确认在被监控的文件描述符上出现活动（包括有用户连接、用户发送了数据），select（）调用将返回，并把有事件活动的文件描述符准备好，从而实现了服务器进程的并发。这种方式，可以随时找出客户端的任何变化，而不必由进程本身对输入进行测试而浪费CPU开销。经过比较，方案采用select函数调用来实现IO多路复用。

3.2 服务调度方案。当一个用户连接服务器之后，服务端可以通过多进程的方式提供服务，也就是使用fork函数调用；也可以使用多线程的方式提供服务，也就是调用pthread系列函数。使用fork实现在技术实现方式上比较简单，但是占用资源比较大，系统开销比较高；使用多线程的方式，有一定的技术难度，但是系统资源占用较低，从服务器本身来说内存占用及CPU使用率等都不高。HP-UNIX平台支持多线程技术，也支持多进程的实现方式，在这里，我们采用多线程的方式。

3.3 稳定性方案。服务采用循环服务的方式，除非是手动停止服务器，否则永远运行。

3.4 运行信息输出方案。服务器以文本文件的方式提供运行日志，实时记录本身的运行数据。包括连接、断开情况，数据发送、接收情况；最重要的是特殊情况的记录，如各种出错信息异常信息等。

4 系统用到的技术

4.1 Socket编程。socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open->读写write/read->关闭close”模式来操作。在实现服务的过程中，会调用一个名称为socket的函数，它处于网络协议和用户进程之间，是一个抽象的概念。

Socket主要的应用分式分为两种，一种是保持稳定的连接，以STREAM数据流的方式提供服务，称为TCP；另一种是没有连接，以DATAGRAM数据报的方式提供连接，被称为UDP。只有在数据准确性能够允许一定差错，实时性要求不高、或者数据量小的场合才会使用UDP数据报的连接方式，其它场合，都会使用TCP连接。

4.2 TCP网络协议。TCP是传输的协议，通过三次握手建立连接，通讯完成时要拆除连接，由于TCP是面向连接的所以只能用于端到端的通讯。TCP提供的是一种可靠的数据流服务，用这种方式，确保传送的数据是准确的。它采用“带重传的肯定确认”技术来实现传输的可靠性。TCP采用“滑动窗口”的方式进行流量控制，用以限制发送方的发送速度。

4.3 IO复用。该技术通过系统内核缓冲I/O数据，当某个I/O准备好后，系统通知应用程序该I/O可读或可写，这样应用程序可以马上完成相应的I/O操作，而不需要等待系统完成相应I/O操作，从而应用程序不必因等待I/O操作而阻塞。该技术主要通过调用函数select或者poll来实现。

4.4 多线程编程。线程是进程中的一个执行片断，是作系统独立调度和分配资源的基本单位，同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。一个进程可以启动多个线程，一个线程只能有一个父进程，线程自己不拥有系统资源，只有运行必须的一些数据结构，但它可以与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。在一般情况下，创建一个线程是不能提高程序的执行效率的，所以要创建多个线程。但是多个线程同时运行的时候可能调用线程函数，在多个线程同时对同一个内存地址进行写入时，可能会发生冲突，所以要使用线程同步。

5 最新的实现方式

开源技术为UNIX平台的发展提供了新的动力。从Linux kernel2.5.44之后epoll加入Linux kernel中，Epoll以基于事件的方法实现异步io/non-blocking io。它代替loop style方法的select和poll，比后者更加高效更适用于高并发多客户端的应用。event-based通过为不同的events设置callback函数，在该event发生的时候自动执行相应函数。如果希望使用跨平台可移植的event-based可以使用libevent库，它支持多种方法（select/poll，epoll，kqueue，/dev/poll等）。移植libevent时需要下载源文件，可能需要自己修改部分编译失败的源代码，这对使用者有一定的技术要求。

6 系统意义

该系统的设计方案考虑了不同的编程技术，采用了IO多路复用、多线程编程技术实现了具有商业价值的TCP网络服务器，并且系统资源开销比较小。此外，从程序的健壮性上考虑，系统采用了日志输出的方案，使得系统的可维护性大大提高，在稳定运行的同时，减少了运维人员的工作量。

7 结束语

网络编程技术作为信息时候最重要的技术之一，服务在后台，很少为人所知。它的技术实现比较复杂，一个满足业务需求并且运行稳定的服务器，需要一定的编程基础和网络知识。

该设计方案采用了多线程、IO多路复用等技术，较大的提高了系统的运行速度、响应速度及运行效率，取得了较为良好的效能优化效果。

参考文献：

[1]W.Richard Stevens（美）.UNIX环境高级编程[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]Gary.Wrigh W.Richard Stevens.TCP/IP详解（卷1）：协议[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]Gary.Wrigh W.Richard Stevens.TCP/IP详解（卷2）：实现[M].北京：机械工业出版社，2010.

作者单位：德州科技职业学院青岛校区，山东青岛 266232