CN115348316A - 一种服务器端与客户端通信的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种服务器端与客户端通信的方法，将由网络层实现的端到端数据传输功能和P2P传输通道的快速建立功能、由代理实现的避免重写应用功能以及由传输层实现的保证传输质量的算法功能结合在一起，在tcp/ip的传输层之上实现了一套自建网络协议栈和代理，支持P2P、无需修改应用代码、用于不能在ip网络中直接连接交互的终端间的应用互联。

Description

一种服务器端与客户端通信的方法
技术领域
本发明涉及物联网领域，具体涉及一种服务器端与客户端通信的方法。
背景技术
在ip网络中涉及到服务器与客户端通信的场景，一般要求服务器和客户端在ip网络中可以直接连接交互。一旦不满足这种条件，目前有两种常见的方法，一种是通过将服务器服务端口映射到具有固定公网ip的服务器的端口上，通过公网服务器的代理实现客户端和服务端的连接交互。另一种方法是，提供一套端到端之间数据透传的api(API，即应用程序接口(Application Programming Interface)，是电脑操作系统(Operating system)或程序库提供给应用程序调用使用的代码。其主要目的是让应用程序开发人员得以调用一组例程功能，而无须考虑其底层的源代码为何、或理解其内部工作机制的细节)，服务器和客户端应用程序调用这套api实现连接通信。
但现有技术存在以下问题：1、将服务端端口暴露在公网环境，增加了被侵入的风险。2、重写大量成熟的C/S架构(C/S架构，即大家熟知的客户机和服务器结构。它是软件系统体系结构，通过它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到Client端和Server端来实现，降低了系统的通讯开销)应用工作量大，有些框架库没有源码无法修改。3、使用数据透传api实现时，在大数据量传输时，需要在应用中实现保证数据传输质量的算法，对应用开发要求高。4、大部分API不支持P2P传输(P2P，即对等网络(Peer-to-peernetworking)，是一种在对等者(Peer)之间分配任务和工作负载的分布式应用架构，是对等计算模型在应用层形成的一种组网或网络形式。网络的参与者共享他们所拥有的一部分硬件资源(处理能力、存储能力、网络连接能力、打印机等)，这些共享资源通过网络提供服务和内容，能被其它对等节点(Peer)直接访问而无需经过中间实体。在此网络中的参与者既是资源、服务和内容的提供者(Server)，又是资源、服务和内容的获取者(Client))，某些支持P2P传输的也没有和TCP传输(TCP：即传输控制协议(Transmission Control Protocol)，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层(Transport layer)通信协议)信道结合起来处理，P2P打洞效率低，P2P与TCP中转传输模式切换复杂。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种服务器端与客户端通信的方法，将由网络层实现的端到端数据传输功能和P2P传输通道的快速建立功能、由代理实现的避免重写应用功能以及由传输层实现的保证传输质量的算法功能结合在一起，在tcp/ip的传输层之上实现了一套自建网络协议栈和代理，支持P2P、无需修改应用代码、用于不能在ip网络中直接连接交互的终端间的应用互联。
本发明的技术方案是：一种服务器端与客户端通信的方法，通过在网络层实现端到端数据传输通道和/或P2P传输通道的快速建立功能、通过代理建立会话实现在避免重构原有应用的前提下的原有功能以及通过在传输层实现保证传输质量的算法功能，将这三者结合在一起，实现一种服务器端与客户端通信的方法。
进一步的，所述通过在网络层实现端到端数据传输通道和/或P2P传输通道的快速建立功能，包括：
终端首先登陆到中心服务器,中心服务器对终端连接的这条通信链路进行访问权限验证，这条通信链路也作为之后终端间交互使用的服务器中继传输链路；
当终端A需要与终端B通信时，首先通过中心服务器的转发与终端B握手；
终端A与终端B握手时，两终端将相互交换自身的标识信息，同时如果NAT环境允许，两者间还将建立起P2P直连链路；所述标识信息除了唯一标识终端还用于信息加密；
对于建立起了P2P直连链路的终端间，之后终端间可选择服务器中继传输链路和P2P直连链路任一链路向对方发送经过标识和加密后的数据。
进一步的，所述通过代理建立会话实现在避免重构原有应用的前提下的原有功能，包括：
包括远程终端服务端口映射、连接代理和会话数据交互；
所述远程终端服务端口映射，包括：本地的代理在本地建立一个端口映射表，将远程终端上的服务端口P，映射到本地端口p，本地的代理监听本地端口p，当本地客户端应用与本地端口p发生创建tcp连接、数据发送和连接断开的事件时，本地的代理会将这些事件内容发送到远端的代理上，并告知是端口P的事件；如果是tcp连接事件，本地的代理会为其创建一个会话；
所述连接代理，包括：本地的代理从远程终端上收到了一个创建tcp连接事件后，会与本地的服务P建立连接,并创建会话；
所述会话数据交互，包括：当本地的代理从会话中接受到到数据后，会发送给远端，远端的代理收到数据后，会通过对应的会话传递给本地应用。
进一步的，所述通过在传输层实现保证传输质量的算法功能，包括：
将传输层算法作为一个模块，会话创建时能够针对业务使用场景选择合适的传输层算法模块，即使是同一网络，同一个终端只要会话不同，都能够采用不同的传输层算法模块。
进一步的，通过代理建立会话实现在避免重构原有应用的前提下的原有功能能够应用于：单向代理一个终端一个服务、单向代理一个终端多个服务、单向代理多个终端多个服务、两个终端间的双向代理和多终端网络代理。
进一步的，所述单向代理一个终端一个服务具体指终端A上的客户端应用访问终端B上的一个监听端口P的服务；
所述单向代理一个终端多个服务具体指终端A上的客户端应用访问终端B上的多个服务；
所述单向代理多个终端多个服务具体指终端A上的客户端应用访问其他多个终端上的多个服务；
所述两个终端间的双向代理具体指终端A上的客户端应用访问终端B上服务，同时终端B上的客户端应用访问终端A上的服务；
所述多终端网络代理具体指终端1～n上的客户端应用互相访问终端1～n上的服务，所述n为大于等于2的整数。
进一步的，所述通过在传输层实现保证传输质量的算法功能还包括：会话质量统计反馈机制，上层应用根据会话质量报告判断本次选用的传输层算法模块是否合适当前应用业务，当不合适时，返回重新选择不同的传输层算法模块进行会话数据传输。
进一步的，传输层中的传输层算法模块能够不断的增加和迭代优化。
本发明的有益效果是：
1、将P2P传输和TCP转发作为本协议栈的两种链路层，通过TCP转发链路的协助，实现P2P链路的快速建立，从而建立起终端间相对安全的通信网络，中继链路经过访问权限验证，P2P直连链路由标识加密。两个链路的数据都由标识信息区分数据源终端和目标终端，实现多路复用。
2、以用户名作为本协议栈的网络层地址，用户接入网络层需要经过中心服务器的验证，处于本网络层中的终端，都可以通过本网络层实现互连。
3、实现了一套流量控制，重传控制，链路质量估计，链路模式自动切换的控制算法，实现一个保证传输质量的传输层。
4、代理功能。每个终端都需要运行一个代理程序，该代理用于实现终端应用接入自建网络，实现应用互联。通过两端代理的配合最终表现出的作用是将远端的服务应用端口映射到本地的端口上，以提供本地客户端应用访问。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为服务器端与客户端通信的方法在tcp/ip的传输层之上实现了一套自建网络协议栈和代理示意图；
图2为网络层实现架构图；
图3展示了一个终端上代理和应用之间的关系图；
图4为单向代理一个终端一个服务；
图5为单向代理一个终端多个服务；
图6为单向代理多个终端多个服务；
图7为两个终端间的双向代理；
图8为多终端网络代理；
图9展示了一个会话周期的流程；
图10为在ip网络中可直接连接访问的客户端和服务端互联图；
图11为在ip网络中不可直接连接访问的客户端和服务端互联图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面结合附图对本发明做进一步的说明。应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
在下面的详细描述中，通过实例阐述了许多具体细节，以便提供对相关指导的全面了解。然而，对于本领域的技术人员来说，显然可以在没有这些细节的情况下实施本申请。在其他情况下，公知的方法、程序、系统、组成和/或电路已经在一个相对较高水平上被描述，没有细节，以避免不必要的模糊本申请的方面。
本实施例中一种服务器端与客户端通信的方法，通过在网络层实现端到端数据传输通道和/或P2P传输通道的快速建立功能、通过代理建立会话实现在避免重构原有应用的前提下的原有功能以及通过在传输层实现保证传输质量的算法功能，将这三者结合在一起，实现一种服务器端与客户端通信的方法，在tcp/ip的传输层之上实现了一套自建网络协议栈和代理。如图1所示。
第一、网络层实现
以终端名作为自建网络的唯一网络地址,提供接口给上层，以满足其在自建网络中连接、数据传输的需求。将多种通信链路封装，对上层屏蔽底层实现，比如tcp转发、p2p传输功能等。网络层实现架构图如图2所示。
具体实现步骤如下:
(1)终端首先登陆到中心服务器,中心服务器对终端连接的这条通信链路进行访问权限验证，这条通信链路也作为之后终端间交互使用的服务器中继传输链路。
(2)当终端A需要与终端B通信时，首先通过中心服务器的转发与终端B握手。
(3)握手时两终端将相互交换自身的标识信息，同时如果NAT(NAT，即网络地址转换(Network Address Translation)，它是一个IETF(Internet Engineering Task Force,Internet工程任务组)标准，允许一个整体机构以一个公用IP(Internet Protocol)地址出现在Internet上。顾名思义，它是一种把内部私有网络地址(IP地址)翻译成合法网络IP地址的技术。NAT可以让那些使用私有地址的内部网络连接到Internet或其它IP网络上。NAT路由器在将内部网络的数据包发送到公用网络时，在IP包的报头把私有地址转换成合法的IP地址)环境允许，两者间还将建立起P2P直连链路。标识信息除了唯一标识终端还用于信息加密。
(4)之后终端间可选择中继链路和P2P直连链路向对方发送经过标识和加密后的数据。
通过以上步骤我们建立起终端间相对安全的通信网络，中继链路经过访问权限验证，P2P直连链路由标识加密。两个链路的数据都由标识信息区分数据源终端和目标终端，实现多路复用。
第二、代理功能和实现
图3展示了一个终端上代理和应用之间的关系图。功能解释：
A、远程终端服务端口映射
本地的代理在本地建立一个端口映射表，将远程终端上的服务端口P，映射到本地端口p，本地的代理监听本地端口p，当本地客户端应用与本地端口p发生创建tcp连接，数据发送，连接断开的事件时，本地的代理会将这些事件内容发送到远端的代理上，并告知是端口P的事件。如果是tcp连接事件，本地的代理会为其创建一个会话。
B、连接代理
本地的代理从远程终端上收到了一个创建tcp连接事件后，会与本地的服务P建立连接,并创建会话。
C、会话数据交互
当本地的代理从会话中接受到到数据后，会发送给远端，远端代理收到数据后，会通过对应的会话传递给本地应用。
下面从简单到复杂认识代理的功能:
1、如图4所示，单向代理一个终端一个服务:终端A上的客户端应用访问终端B上的一个监听端口P的服务。
2、如图5所示，单向代理一个终端多个服务：终端A上的客户端应用访问终端B上的多个服务。
3、如图6所示，单向代理多个终端多个服务：终端A上的客户端应用访问B，C,D上的多个服务。
4、如图7所示，两个终端间的双向代理：终端A上的客户端应用访问终端B上服务，同时终端B上的客户端应用访问终端A上的服务。
5、如图8所示，多终端网络代理：终端1～n上的客户端应用互相访问终端1～n上的服务，所述n为大于等于2的整数。
第三、传输层
网络层实现了终端之间数据的交互，代理通过建立会话将数据分流到各个应用。这两个组件相当于建立了运输数据的道路，但不负责控制数据传输的速度，不负责数据丢失时重传的控制，就像我们的交通一样，如果车辆行驶不遵循一定的规则，在交通繁忙时就会造成交通瘫痪。所以数据传输也需要遵循一定的规则，通过设置每个会话上的数据传输规则，包括流量控制机制，丢包重传机制，底层链路切换机制等，保证了每个会话上数据传输的可靠性和效率；为了监测每个会话的传输质量，以进一步优化传输规则，同时实现了会话流量统计，丢包率统计，延迟统计等功能。
针对流量控制，拥塞控制算法有许多研究文档和成熟应用，如TCP，QUIC等等，但还没有什么算法能够在任何业务应用场景中都是最优。本实施例中将每种传输层算法作为一个模块，会话创建时可以针对业务使用场景选择合适的传输层算法模块，即使是同一网络，同一个终端只要会话不同，都可以采用不同的传输层算法模块。传输层算法模块可以不断的增加和迭代优化，本方案实现的会话质量统计反馈机制，上层应用根据会话质量报告判断本次选用的传输层算法模块是否合适当前应用业务，当不合适时，返回重新选择不同的传输层算法模块进行会话数据传输，不但有利于使用本方案的客户在实现应用时选择合适的会话算法模块，还能给开发人员优化算法时做参考。图9展示了一个会话周期的流程。
总结如下，网络协议栈包括：
1、将P2P传输和TCP转发作为本协议栈的两种链路层，通过TCP转发链路的协助，实现P2P链路的快速建立，从而建立起终端间相对安全的通信网络，中继链路经过访问权限验证，P2P直连链路由标识加密。两个链路的数据都由标识信息区分数据源终端和目标终端，实现多路复用。P2P传输，不再需要占用大量的中转服务器带宽。
2、以用户名作为本协议栈的网络层地址，用户接入网络层需要经过中心服务器的验证，处于本网络层中的终端，都可以通过本网络层实现互连。
3、实现了一套流量控制，重传控制，链路质量估计，链路模式自动切换的控制算法，实现一个保证传输质量的传输层。且传输层算法模块化，可切换。
4、代理功能。每个终端都需要运行一个代理程序，该代理用于实现终端应用接入自建网络，实现应用互联。通过两端代理的配合最终表现出的作用是将远端的服务应用端口映射到本地的端口上，以提供本地客户端应用访问。
本实施例最终的目的和效果：
通过图10和图11的对比，可以看到客户端应用和服务端应用无需修改任何代码就可实现客户端应用访问到原本在ip网络中无法访问到的服务端的服务。
如图10所示，在ip网络中可直接连接访问的客户端和服务端互联图。
如图11所示，在ip网络中不可直接连接访问的客户端和服务端互联图。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种服务器端与客户端通信的方法，其特征在于：通过在网络层实现端到端数据传输通道和/或P2P传输通道的快速建立功能、通过代理建立会话实现在避免重构原有应用的前提下的原有功能以及通过在传输层实现保证传输质量的算法功能，将这三者结合在一起，实现一种服务器端与客户端通信的方法。
2.根据权利要求1所述的一种服务器端与客户端通信的方法，其特征在于：所述通过在网络层实现端到端数据传输通道和/或P2P传输通道的快速建立功能，包括：
终端首先登陆到中心服务器,中心服务器对终端连接的这条通信链路进行访问权限验证，这条通信链路也作为之后终端间交互使用的服务器中继传输链路；
当终端A需要与终端B通信时，首先通过中心服务器的转发与终端B握手；
终端A与终端B握手时，两终端将相互交换自身的标识信息，同时如果NAT环境允许，两者间还将建立起P2P直连链路；所述标识信息除了唯一标识终端还用于信息加密；
对于建立起了P2P直连链路的终端间，之后终端间可选择服务器中继传输链路和P2P直连链路任一链路向对方发送经过标识和加密后的数据。
3.根据权利要求1所述的一种服务器端与客户端通信的方法，其特征在于：所述通过代理建立会话实现在避免重构原有应用的前提下的原有功能，包括：
包括远程终端服务端口映射、连接代理和会话数据交互；
所述远程终端服务端口映射，包括：本地的代理在本地建立一个端口映射表，将远程终端上的服务端口P，映射到本地端口p，本地的代理监听本地端口p，当本地客户端应用与本地端口p发生创建tcp连接、数据发送和连接断开的事件时，本地的代理会将这些事件内容发送到远端的代理上，并告知是端口P的事件；如果是tcp连接事件，本地的代理会为其创建一个会话；
所述连接代理，包括：本地的代理从远程终端上收到了一个创建tcp连接事件后，会与本地的服务P建立连接,并创建会话；
所述会话数据交互，包括：当本地的代理从会话中接受到到数据后，会发送给远端，远端的代理收到数据后，会通过对应的会话传递给本地应用。
4.根据权利要求1所述的一种服务器端与客户端通信的方法，其特征在于：所述通过在传输层实现保证传输质量的算法功能，包括：
将传输层算法作为一个模块，会话创建时能够针对业务使用场景选择合适的传输层算法模块，即使是同一网络，同一个终端只要会话不同，都能够采用不同的传输层算法模块。
5.根据权利要求1所述的一种服务器端与客户端通信的方法，其特征在于：通过代理建立会话实现在避免重构原有应用的前提下的原有功能能够应用于：单向代理一个终端一个服务、单向代理一个终端多个服务、单向代理多个终端多个服务、两个终端间的双向代理和多终端网络代理。
6.根据权利要求5所述的一种服务器端与客户端通信的方法，其特征在于：
所述单向代理一个终端一个服务具体指终端A上的客户端应用访问终端B上的一个监听端口P的服务；
所述单向代理一个终端多个服务具体指终端A上的客户端应用访问终端B上的多个服务；
所述单向代理多个终端多个服务具体指终端A上的客户端应用访问其他多个终端上的多个服务；
所述两个终端间的双向代理具体指终端A上的客户端应用访问终端B上服务，同时终端B上的客户端应用访问终端A上的服务；
所述多终端网络代理具体指终端1～n上的客户端应用互相访问终端1～n上的服务，所述n为大于等于2的整数。
7.根据权利要求1所述的一种服务器端与客户端通信的方法，其特征在于：所述通过在传输层实现保证传输质量的算法功能还包括：会话质量统计反馈机制，上层应用根据会话质量报告判断本次选用的传输层算法模块是否合适当前应用业务，当不合适时，返回重新选择不同的传输层算法模块进行会话数据传输。
8.根据权利要求7所述的一种服务器端与客户端通信的方法，其特征在于：传输层中的传输层算法模块能够不断的增加和迭代优化。
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