基于IP組播的Web服務(wù)推送技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以及物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、智慧地球等新技術(shù)、新概念的提出，網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)逐步成為近年來人們研究的熱點(diǎn)。同時(shí)，隨著Web技術(shù)的不斷發(fā)展，B/S架構(gòu)以其便于維護(hù)和升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于車輛監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字化地圖等方面。然而，Web服務(wù)器作為網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，就必須要有獨(dú)立的IP地址。目前，可以通過手工靜態(tài)分配或者通過DHCP(DynamicHostConfigurationProtocol)服務(wù)器動(dòng)態(tài)分配IP地址；然而，由于IP地址是由一組數(shù)字構(gòu)成，不便于記憶，且使用起來很不方便，而域名系統(tǒng)的出現(xiàn)為其提供了一種切實(shí)可行的解決方案，但這又需要設(shè)計(jì)DNS(DomainNameSystem)服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)。

基于上述原因可知，當(dāng)Web服務(wù)器接入網(wǎng)絡(luò)之后，通常需要通過人工或服務(wù)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置。同時(shí)，傳統(tǒng)模式的Web系統(tǒng)中的服務(wù)器端一般都是被動(dòng)地響應(yīng)客戶端請(qǐng)求。鑒于此，本文通過對(duì)IP多播技術(shù)進(jìn)行深入分析，給出了實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)的主動(dòng)推送方法，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。

1應(yīng)用背景

Web應(yīng)用模型

圖1所示是一種傳統(tǒng)的Web應(yīng)用模型。在這種應(yīng)用模型結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面是通過WWW瀏覽器來實(shí)現(xiàn)的，極少部分事務(wù)邏輯在前段(Browser)實(shí)現(xiàn)，主要業(yè)務(wù)邏輯在服務(wù)器端(Server)實(shí)現(xiàn)，因而形成所謂三層結(jié)構(gòu)［1］。客戶端向服務(wù)器端發(fā)送HTTP請(qǐng)求，WebServer接收這個(gè)請(qǐng)求，然后根據(jù)不同情況訪問相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫、WebServer或者其它業(yè)務(wù)系統(tǒng),再經(jīng)過業(yè)務(wù)邏輯計(jì)算，向客戶端瀏覽器發(fā)送HTML響應(yīng)。這樣就大大簡(jiǎn)化了客戶端主機(jī)負(fù)荷，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)的成本和工作量，降低了用戶的總體成本。

但是，根據(jù)這個(gè)模型，服務(wù)器端僅在客戶端發(fā)出請(qǐng)求后才把數(shù)據(jù)發(fā)送回去。而客戶端要想獲取服務(wù)器端所提供的服務(wù)時(shí)，就需要知道服務(wù)器端IP地址或該服務(wù)器的域名，而這在該模型中是無法實(shí)現(xiàn)的。

IP多播

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和網(wǎng)絡(luò)信息資源的迅速增加，網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)也將逐漸提高，尤其是將網(wǎng)絡(luò)資源傳送給網(wǎng)絡(luò)中所有對(duì)此信息感興趣的主機(jī)時(shí)。注意：這不是某個(gè)主機(jī)，也不是所有主機(jī)。采用傳統(tǒng)的單播技術(shù)已經(jīng)無法解決此類網(wǎng)絡(luò)傳輸問題，若采用廣播技術(shù)又會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)效率。而多播可以將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)文按照多播組地址進(jìn)行傳送,只是屬于該組的所有主機(jī)才能接收此數(shù)據(jù)報(bào)文，這樣就極大地提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

圖1Web應(yīng)用模型

IP多播(也稱為多址廣播或組播)技術(shù)是一種允許一臺(tái)或多臺(tái)主機(jī)(多播源)發(fā)送單一數(shù)據(jù)包到多臺(tái)主機(jī)(一次的,同時(shí)的)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。多播作為一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信,是節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬的有效方法之一。同時(shí)，多播數(shù)據(jù)報(bào)由特定的接口接收。如果要對(duì)一組特定的主機(jī)進(jìn)行通信，多播能使一個(gè)或多個(gè)多播源只把數(shù)據(jù)包發(fā)送給特定的多播組，而只有加入該多播組的主機(jī)才能接收到數(shù)據(jù)包，從而提高了信息的安全性。圖2所示是這種多址廣播或組播技術(shù)的特點(diǎn)示意圖。

圖2可明顯減少網(wǎng)絡(luò)資源消耗的多播技術(shù)

由圖2可以看出，主機(jī)A、C和D構(gòu)成一個(gè)多播組G，主機(jī)X可向多播組G的三個(gè)主機(jī)進(jìn)行多播(主機(jī)X可以不屬于該多播組，也不一定要知道這個(gè)多播組中都包括哪些成員)。主機(jī)X在進(jìn)行多播時(shí)只發(fā)送一次數(shù)據(jù)報(bào)，只是到了路由器R2才進(jìn)行復(fù)制，然后到R6再復(fù)制一次。這就是說，多播的數(shù)據(jù)報(bào)僅在傳送路徑分岔時(shí)才將數(shù)據(jù)報(bào)復(fù)制后繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。若不是多播，則源站在一開始就要發(fā)送3個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，分別發(fā)送給主機(jī)A、C和D。構(gòu)成多播組的主機(jī)數(shù)可以是很大的，如成千上萬個(gè)。因此，采用多播協(xié)議可明顯減輕網(wǎng)絡(luò)中各種資源的消耗。顯然，在因特網(wǎng)中多播要靠路由器來實(shí)現(xiàn)，因此，這些路由器必須增加一些能夠識(shí)別多播的軟件。能夠運(yùn)行多播協(xié)議的路由器稱為多播路由器。

2Web服務(wù)推送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Web服務(wù)器也稱為WWW(WorldWideWeb)服務(wù)器，其主要功能是提供網(wǎng)上信息的瀏覽服務(wù)。首先，Web服務(wù)器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其必須擁有獨(dú)立的標(biāo)識(shí)一IP地址。目前，IP地址的配置主要有兩種方式：手動(dòng)配置和自動(dòng)配置。其中,手動(dòng)配置需要人工參與，并且在目前IPv4地址緊缺的情況下,如何避免地址沖突是一個(gè)亟待解決的問題；自動(dòng)配置常用的方式是在服務(wù)器端配置DHCP,但這需要DHCP服務(wù)器支持。其次，Web服務(wù)器作為服務(wù)提供者，客戶只有知道其IP地址才能夠使用其所提供的服務(wù)，而如果直接使用IP地址，則不安全，且不便于記憶。域名系統(tǒng)可解決網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的命名問題,然而，域名系統(tǒng)需要DNS的支持。最后，在傳統(tǒng)模式中，服務(wù)器只是被動(dòng)地接收和響應(yīng)客戶端請(qǐng)求，而不能發(fā)揮服務(wù)器的主動(dòng)性。

2.1IP自動(dòng)分配

對(duì)于任意一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而言，配置正確的IP地址是其實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基礎(chǔ)，本文采用IPv4LL(IPv4Link-Local)來實(shí)現(xiàn)在沒有人工和DHCP服務(wù)器參與的情況下，Web服務(wù)器IP地址的自動(dòng)分配、子網(wǎng)掩碼設(shè)置等。其具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送DHCP服務(wù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，若在一定的等待時(shí)間內(nèi)沒有收到響應(yīng)數(shù)據(jù)包，則說明在本地鏈路中沒有DHCP服務(wù)器，此時(shí)轉(zhuǎn)步驟⑵；

在169.254.0.0/16網(wǎng)段中隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)IP地址，并將這個(gè)IP地址以ARP請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的形式廣播到網(wǎng)絡(luò)中，并向其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)詢問當(dāng)前請(qǐng)求地址是否可用；

如果沒有收到其它主機(jī)的ARP應(yīng)答消息，則該IP地址可用，隨之將其設(shè)置為本地IP地址，否則重復(fù)步驟(2),直到找到為本地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配到合適的IP地址為止。

為了防止節(jié)點(diǎn)重啟而造成IP地址丟失，其在完成配置后,可將配置參數(shù)保存到非掉電易失性存儲(chǔ)介質(zhì)中。這樣，當(dāng)節(jié)點(diǎn)重新啟動(dòng)時(shí)，首先讀取上次網(wǎng)絡(luò)配置信息，并探測(cè)該配置信息的有效性，從而提高IP地址分配效率。

2.2域名自動(dòng)獲取

當(dāng)訪問網(wǎng)絡(luò)中的一臺(tái)主機(jī)或是該主機(jī)提供的服務(wù)時(shí)，由于域名便于記憶且IP地址動(dòng)態(tài)變化多有不便，因此，通常情況下是以域名作為主機(jī)的標(biāo)識(shí)。而要實(shí)現(xiàn)域名與IP地址的映射關(guān)系，需要DNS服務(wù)器的支持。本文采用多播DNS(MulticastDNS)機(jī)制來在沒有DNS服務(wù)器參與的情況下實(shí)現(xiàn)IP地址和域名之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。其域名自動(dòng)獲取過程如下：

創(chuàng)建本地多播地址記錄，從而獲取一個(gè)新的域名。

檢測(cè)該域名的唯一性。在本地鏈路中向224.0.0.251發(fā)送多播請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，并且每隔250ms發(fā)送一次，共發(fā)送三次。如果收到任何一次mDNS請(qǐng)求的響應(yīng)數(shù)據(jù)包，則該域名已經(jīng)被其它主機(jī)占用，此時(shí)將返回(1)重新獲取新域名;否則轉(zhuǎn)到(3)。

更新網(wǎng)絡(luò)中其它主機(jī)cache中的數(shù)據(jù)，將cache_flush位置1,該域名獲取成功。

綜上所述，mDNS協(xié)議可以在無DNS服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)IP地址與域名的自動(dòng)轉(zhuǎn)換,以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中可用的服務(wù)。其主要思想是利用局域網(wǎng)的組播機(jī)制來實(shí)現(xiàn)DNS服務(wù)器的功能。該協(xié)議中采用UDP的5353端口代替DNS的53端口，并以組播地址224.0.0.251代替DNS服務(wù)器的單播地址[3]。另外,在其域名后面都有一個(gè).local后綴，以告訴瀏覽器采用mDNS協(xié)議來解釋該域名。

因此，當(dāng)客戶應(yīng)用層想解析某個(gè)域名所對(duì)應(yīng)的IP地址時(shí),它只需要向本地鏈路發(fā)送一個(gè)目的地址為224.0.0.251的多播請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，本地所有主機(jī)一旦收到與其域名相匹配的請(qǐng)求時(shí),便向請(qǐng)求主機(jī)發(fā)送帶有自身IP地址的應(yīng)答數(shù)據(jù)包，從而完成一次域名解析過程。反之，當(dāng)客戶應(yīng)用層要解析某個(gè)已知IP地址對(duì)應(yīng)的主機(jī)時(shí)，其解析過程與此類似，在此不再贅述。

另外，mDNS還給出了避免域名沖突的解決方案。通過在請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的權(quán)威部分增加一個(gè)新的記錄，然后比較該資源記錄的類別，級(jí)別高的獲得此域名;如果資源記錄類別相同，則比較其類型，同樣，級(jí)別高的獲得此域名；如果資源記錄類型也相同，則依次比較原始數(shù)據(jù)(IP地址)的每一個(gè)字節(jié),此時(shí)由于不可能完全相同，則其值大的獲得此域名。

同時(shí)，mDNS在請(qǐng)求、響應(yīng)、消息結(jié)構(gòu)等方面也有明顯的優(yōu)勢(shì)，其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

⑴mDNS協(xié)議要求服務(wù)請(qǐng)求端將請(qǐng)求的已知答案包含在DNS消息內(nèi)部，如果數(shù)據(jù)包生存時(shí)間值小于原先值的一半,則DNS消息的答案部分就不再對(duì)其生存時(shí)間進(jìn)行標(biāo)記，從而減小了請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的大小，提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率；

mDNS提供了域名沖突解決機(jī)制，因而不需要額外的檢錯(cuò)機(jī)制，從而減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)；

在覆蓋了所有子網(wǎng)的情況下，其接收者也會(huì)很明確地知道m(xù)DNS響應(yīng)來自本地鏈路；

mDNS使用的UDP端口號(hào)為5353,從而避免了端口沖突問題；

mDNS采用UTF-8對(duì)資源記錄名進(jìn)行編碼，很好地解決了編碼兼容性問題。

總之，采用mDNS協(xié)議為無DNS服務(wù)器參與情況下的IP地址與域名之間的轉(zhuǎn)換提供了一套切實(shí)可行的解決方案。

Web服務(wù)推送

為了解決傳統(tǒng)Web服務(wù)器端被動(dòng)接收客戶端服務(wù)請(qǐng)求的工作模式，本文采用DNS-SD(DNS-ServiceDiscovery)協(xié)議來使得客戶可以在對(duì)服務(wù)器一無所知的情況下，使用服務(wù)器所提供的服務(wù)。同時(shí)，將當(dāng)前局域網(wǎng)內(nèi)所有可用的Web服務(wù)列舉出來，供用戶選擇，從而使得整個(gè)Web服務(wù)系統(tǒng)更加透明和智能。

DNS-SD通過對(duì)DNS中的SRV、PTR、TXT等資源記錄信息進(jìn)行擴(kuò)充來實(shí)現(xiàn)服務(wù)的主動(dòng)推送。其中，SRV記錄將服務(wù)/協(xié)議解析成IP地址，其內(nèi)容包括服務(wù)名稱、協(xié)議、DNS域名、優(yōu)先權(quán)、權(quán)重、端口、目標(biāo)；PTR記錄則指向每一個(gè)信息指針，實(shí)現(xiàn)從IP地址到主機(jī)域名的反向映射。由于每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口都有一條PTR記錄，其名稱類似于反向字節(jié)序的IP地址，從而實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)瀏覽功能。

3嵌入式Web服務(wù)推送

嵌入式Web一般采用B/S(Browser/Service)結(jié)構(gòu)，即瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。B/S是隨著Internet技術(shù)的興起，對(duì)C/S結(jié)構(gòu)的一種變化或改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)下，客戶端僅僅操作WWW標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器便可通過Internet訪問Web服務(wù)器,其主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)。在此，為了識(shí)別基于組播Web服務(wù)推送模塊，本文在客戶端采用BonjourforWindows瀏覽器插件來實(shí)現(xiàn)服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能。

3.1Bonjour簡(jiǎn)介

Bonjour[4](法語中的你好)是一種能夠自動(dòng)查詢接入網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備或應(yīng)用程序的插件。Bonjour能夠顯示局域網(wǎng)內(nèi)支持組播或域名協(xié)議的設(shè)備和應(yīng)用程序，并采用多播DNS來解決局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的命名沖突。裝有Bonjour插件的電腦和設(shè)備可以在網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)傳播它們自己的服務(wù)信息，并聆聽其他設(shè)備的服務(wù)信息。BonjourforWindows包括—個(gè)InternetExplorer插件，可以在不知道其IP地址的情況下設(shè)置、安裝支持Bonjour的設(shè)備。在已經(jīng)安裝了Bonjour插件的計(jì)算機(jī)上打開IE瀏覽器，可以在工具欄中看到如圖3所示的Bonjour圖標(biāo),。

嵌入式Web服務(wù)器硬件系統(tǒng)采用S3C6410(相關(guān)資料參見S3C6410數(shù)據(jù)手冊(cè))來實(shí)現(xiàn)，客戶端主機(jī)與嵌入式Web服務(wù)器之間采用RJ45連接。啟動(dòng)服務(wù)器端服務(wù)推送模塊，打開客戶端瀏覽器，則可出現(xiàn)如圖4所示的界面。

圖4嵌入式Web服務(wù)推送系統(tǒng)測(cè)試畫面

4結(jié)語

總而言之，本文以IP多播技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了Web服務(wù)推送模塊并對(duì)其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。在該系統(tǒng)中,利用IPv4LL技術(shù)實(shí)現(xiàn)了Web服務(wù)器端IP地址的自動(dòng)配置,而利用mDNS機(jī)制實(shí)現(xiàn)了在沒有DNS服務(wù)器參與下IP地址和域名之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。由此可見，采用組播技術(shù)實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)推送，雖然簡(jiǎn)便易行，但其仍然存在諸如增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、占用網(wǎng)絡(luò)帶寬等問題，這些問題仍然亟待解決。

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