IP地址快速变化下的TCPIP通信中间件服务器端开发

论文总字数：27510字

摘 要

移动互联网目前在人类生活中扮演了重要的角色，以手机为代表的移动设备发展使人类的移动性大大增强，通信不再是局限于固定网络。本文针对于当前移动网络环境，在移动IP的情况下，设计了一个服务器中间件来保证移动环境中通信连续性。该中间件嵌入在服务器的传输层和应用层之间，当客户端IP地址发生改变或者网络连接中断时，作为中间件服务器端能自动跟踪客户端IP地址变化，响应连接请求，恢复数据传输，保持应用层端到端的连接稳定，而且对采用该中间件通信的应用层透明，从而提高应用层的效率。通过在各种通信情形下的测试，结果证明了该中间件能大致的实现这一目标。

关键字： 中间件 SOCKET TCP/IP 移动IP 服务器

The development of TCP/IP communication middleware server based on dynamic IP address

04011652 Gao Peng

Supervisor Liu Ping

Abstract

Mobile Internet plays an important role in human life. The mobile phone on behalf of mobile devices makes for greatly mobility, and communication is no longer limited to a fixed network. In this paper, according to mobile network environment, we design a server middleware to ensure continuity of communication, where the mobile device is switched from one network to another one. The middleware is embedded between the transport layer and application layer. When the client IP address changes or the network connection is lost, the middleware server can track a user terminal address change and respond for the change. Then the server middleware requests client to reconnect server and restore data transmission, so it ensures the stable connection between the application layer. In addition, the server middle is transparent to the application layer and therefore improves the efficiency of the application layer. By testing the server middleware in a variety of communication situations, the results proves that the middleware can generally meet the requirement.

Keywords： Middleware SOCKET TCP/IP Mobile IP Server

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract …………………………………………………………………………… Ⅱ

1. 绪论 ………………………………………………………………………1

1.1 课题研究的背景与现实意义 ………………………………………………1

1.2 研究概况 ……………………………………………………………………2

1..3本论文的主要工作及内容安排 ……………………………………………3

1. 基础知识 ……………………………………………………………………5

2.1 TCP/IP协议 ……………………………………… …………………………5

2.1.1 TCP基本操作：连接的建立、管理和终止 …………………………7

2.1.2 TCP的可靠性与流量控制特性…………………………………………9

2.2  SOCKET套接字简介 ……………………… ……………………………10

1. 通信中间件服务器端的概述 ………………………………………………15

3.1 中间件技术介绍 ……………………………………………………………15

3.2 通信中间件服务器端要求 ………. …………………………………………15

3.3 通信中间件服务器端方案设计 ……………………………………………15

1. 通信中间件服务器端的设计与实现…………………………………………18

4.1 中间件的开发工具以及运行环境 …………………………………………18

4.2 服务器端中间件通信协议设计 ……………………………………………18

4.2.1通信连接的建立 ……………………………………………………18

4.2.2通信数据正常传输阶段 ……………………………………………20

4.2.3恢复重连阶段 ……………………………………………………20

4.2.4连接正常关闭阶段 …………………………………………………20

4.2.5心跳包的设置 ………………………………………………………21

4.3 正常通信模块设计与实现 ………………………………………………21

4.4 IP地址变换情形下维持通信稳定性的设计与实现 ……………………22

4.5 连接断开后的恢复与重连 ………………………………………………27

1. 服务器端通信中间件的性能测试……………………………………………29

5.1 测试环境………………………………………………………………………29

5.2 功能完成度测试 ……………………………………………………………29

5.2.1 服务器端与客户端数据收发……………………………………………30

5.2.2服务器端中间件对通信差错率的影响…………………………………30

5.3 中间件额外的性能开销 ……………………………………………………31

第六章 总结 …………………………………………………………………………32

致谢………………………………………………………………………………………33

参考文献（References） ………………………………………………………………34

第一章 绪论

1.1课题研究的背景与现实意义

在互联网时代，因特网出现对人类生活造成了翻天覆地的改变，生活的时时刻刻都与互联网相关，各行各业也依托于因特网进行办公，因特网将人类社会发展到了信息化的阶段。因特网通过迅猛的发展，在短短的十几年间已经成为了人类最大的信息化大脑，无需从大量的书籍或资料中找寻自己所需要的信息，人们能通过因特网可以方便快捷地获取信息，只需使用关键词Google一下，与之相对应的资料就能迅速地展示在电脑面前，极大了加强了工作的效率。

而与此同时基于因特网的通信使人类之间的信息交流更加的方便，对于传统的因特网，采取的接入方式是固定接入，也就是固定的设备和固定的IP地址，传统的因特网连接大大限制了因特网的进一步应用。随着因特网的不断发展，移动互联网进入了人类社会，人类获取信息不再局限于传统的固定因特网的访问方式，而是利用移动互联网将因特网的接入从传统的固定终端推广到了移动终端根据《中国第35次中国互联网络发展状况统计报告》^[1]，移动设备在互联网络的接入量所占的比重特别大。互联网络接入设备的使用情况如图1-1所示。

图1-1 互联网络接入设备使用情况

从上述数据可见，移动终端对因特网的接入呈现了爆发式地增长。在未来，移动终端仍将呈现出高速增长的态势，反映了在信息时代，人类对设备移动性和信息整合的需求急剧上升。预计在2018年以手机和平板电脑为例的移动终端互联网接入率将超过个人电脑对互联网的接入。

移动互联网的到来伴随着多种无线接入技术的快速发展，这些技术有无线个域网无线局域网，无线城域网，无线广域网（如大众熟知的3G,4G），卫星网络等等

这些物理基础与系统构造不同的无线接入技术为因特网的接入提供了众多的选项。移动互联网的广泛使用，使Qos（服务质量保证），移动支持和安全性成为了当前移动互联网发展的三个核心问题。移动互联网作为因特网与移动通信技术相结合的产物，让设备从固有的位置解脱出来，能让用户设备随时随地接入因特网，大大增强了设备的移动性和效率。设备移动过程中要求保持稳定和连续的通信条件，保障设备的服务质量。

20世纪70年代末设计的 TCP/IP正面临着越来越多的挑战，在IP层中，各个组成网络通过特殊的称为网关或者路由器的交换机进行互联。每个路由器的接口与底层网络的特定属性相适应，IP路由引导IP分组通过互联网进行传输。作出路由决定后，分组被放置在缓冲中等待在下一个网路中传输。实际上，来自不同用户的分组在这些缓冲中被统计复用，底层的网络负责在路由器之间传递分组。IP传统上用来提供尽力而为的服务，也就是说，IP尽其所能来传递分组，但是当分组丢失、遭到破坏或者发送数据端的IP地址发生改变时，它不会采取额外的行动，从这个意义上讲，针对于这情况，可以看出IP的尽其所能传递分组是不可靠的。IP是最基本的网际协议，在不同平台和不同系统中都能使用，则要求IP协议能够满足各种条件，所以IP协议非常的普适。TCP/IP 当初建立的时候没有料想到互联网会如此迅速的发展，以至于不能满足当前网络环境的要求，最初TCP/IP的设计只是简单的应用于静态的网络环境，当 IP 地址在动态变化的情形下，通信的稳定性得不到应有的保障。当设备在移动的过程中，设备必然会在不同网络中进行切换，也伴随的IP地址的不断改变，IP最初设计的愿想已经不能满足当前时代网络环境的要求

针对IP地址变换下的通信问题，本课题通过设计一个中间件来解决移动IP通信问题^[2]，在服务器的传输层和应用层之间，嵌入一个中间件，当客户端IP地址在变化或者连接中断时，作为中间件服务器端，能够自动跟踪客户端IP地址变化，响应连接请求，恢复数据传输，并保持应用层端到端的连接稳定，从而提高应用层的效率。该中间件能跟踪用户终端的地址变化并作出响应，并在连接恢复时重传；在此过程中对采用该中间件通信的应用层透明。通用平台都能插入这个中间件，从而解决移动IP通信的难题。

1.2 研究概况

在移动设备普遍使用的情况下，移动终端可能经常在不同的接入网之间移动，保证通信的稳定是网络的首要任务。在移动网络的发展过程中，一系列的技术解决通信过程中节点的移动问题。其中，Mobile IP^[3]故名思议就是移动IP技术，在当前很多场合，大多都是采用的Mobile IP技术。

除了Mobile IP协议外,还有SCTP^[4](Stream Control Transaction Protocol)和SIP^[5]（Session Initiation Protocol）协议。SCTP是一种重新设计的网络协议，它能很好的支持多宿主多连接。SIP可以较好的支持设备的移动性管理，当移动设备采用了SIP协议时，设备的IP地址发生改变，SIP将对会话进行软切换，实现对设备的移动性支持，由于SIP切换比较复杂，而进行软切换时间也比较长。HIP协议是主机标识协议，网络中的每一个主机都会通过字符标识出来。该标志符使用的是确定长度的对HI的128位Hash结果值，即使设备在不同网络中进行切换，通过唯一的标志符就能确定移动的设备，保障通信的稳定性。上述这些基本协议的建立为变化的IP地址通信打下了基础。

除了以上针对移动IP环境提出的协议,还有很多改造的方案来解决移动IP通信的问题。通过添加内容和改造标准的TCP/IP协议，来提高在移动环境下端对端的可靠传输，在没有改变现有的TCP在固定网络的主机上实现的情况下，而且不重新编译和重连现有的应用 。RMS^[6]（Resilient Mobile Socket）是对实时流媒体通信有着较好的支持，在应用层和传输层中添加一个插件，设备能够知道IP地址的变化，当知道IP地址发生改变就会将通信切换到新的套接字上，在IP地址变化的通信期间，为了保障通信，就会在多个备用的套接字上不断地切换。针对协议进行改造的有MSOCK^[7][8]（Mobile Socket），当通信终端IP地址发生改变是，根据该协议会让通信双方都了解到IP地址的变化，将通信双方的连接环境进行更新，以达到通信的连续性。还有基于MSOCK改进的MESOCK^[9]移动扩展多IP套接字，在IP地址快速变化下，能够快速的实现软切换，，由应用程序识别通信双方的身份。

以上的方案都是通过协议的改造达到目的，还有设计中间件达到移动IP通信的情形。自适应性的终端中间件来支持会话移动性^[10][11]，该中间件能基于策略的选择动态资源和基于主机的会话管理^[12][13]，并能隐藏会话中断以及资源的改变。通过中间件能实现一个虚拟的Socket，在资源改变的情况下通过该Socket进行无缝会话切换，在无线连接断开的情况下能继续或者重新发送数据包。

1.3本论文的主要工作及内容安排

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