基于Android平臺的WiFi文件傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

苗振興 （安徽工程大學(xué)計算機與信息學(xué)院，安徽 蕪湖241000）

馬幼鳴 （北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院，北京100081）

周鳴爭 （安徽工程大學(xué)計算機與信息學(xué)院，安徽 蕪湖241000）

智能手機除了基本的通話功能以外，還具備PDA的主要功能，包括辦公、上網(wǎng)、學(xué)習(xí)、游戲等。智能手機之間的通信除了移動運營商提供的GPRS或3G方式以外，通常還有紅外、藍(lán)牙和WiFi方式，而這3種通信方式中目前最常用于手機之間直接互傳文件的仍然是藍(lán)牙。藍(lán)牙技術(shù) （Bluetooth，802．15標(biāo)準(zhǔn)）是一種短距離無線通信技術(shù)，其傳輸最大速率為1Mb／s，最遠(yuǎn)傳輸距離為10m。然而，智能手機硬件性能的提高和存儲容量的提升日新月異，藍(lán)牙的傳輸效率就難以滿足用戶日益增長的使用需求。無線局域網(wǎng)的WiFi技術(shù)［1］（Wireless Fidelity，802．11b標(biāo)準(zhǔn)）也是一種用于短距離無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，相對于藍(lán)牙技術(shù)，WiFi有著更加強大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在傳輸速度更快和傳輸距離更遠(yuǎn)。如今WiFi技術(shù)已經(jīng)不僅用于電腦的聯(lián)網(wǎng)方式，它同時也被集成于各種終端設(shè)備中，用于互聯(lián)網(wǎng)的連接。如果能夠?qū)崿F(xiàn)用WiFi替代藍(lán)牙的短距離文件傳輸功能，將會給用戶帶來煥然一新的體驗，同時推動WiFi在終端設(shè)備中更加廣泛的應(yīng)用。

作為目前最受歡迎的智能手機操作系統(tǒng)，Android OS［2］是一個應(yīng)用非常廣泛的平臺，除了智能手機之外，搭載該系統(tǒng)的設(shè)備還包括平板電腦、智能相機、智能電視機等，故在該平臺下實現(xiàn)通過WiFi方式的文件傳輸系統(tǒng)更具有實際意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計的框架

1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

正如藍(lán)牙傳輸?shù)姆桨敢粯?，該系統(tǒng)首先也要將2部設(shè)備之間建立起點對點的連接，連接方式為WiFi無線局域網(wǎng)［3］。Android智能手機上都配置有WiFi掃描連接的功能，只要在手機上建立無線AP，另一部手機就可以連接到這個WiFi網(wǎng)絡(luò)與之組成一個無線局域網(wǎng)。目前已有部分手機支持無線AP的建立，系統(tǒng)沒有集成該功能的手機同樣可以通過安裝第三方軟件的方式實現(xiàn)。然后，在該局域網(wǎng)中就通過Socket進(jìn)行通信，通信規(guī)則按照自定義的一套協(xié)議就可以實現(xiàn)文件的傳輸與管理等功能。系統(tǒng)分為服務(wù)端和客戶端2個部分，分別運行于多臺手機之上。服務(wù)端只有一個，客戶端可以有多個，根據(jù)Android的多線程可以同時進(jìn)行多個客戶端的操作，客戶端軟件作為人機交互的主要操作界面，服務(wù)器會自動解析用戶的指令并作出響應(yīng)。最后將軟件打包為安卓程序安裝包 （Android package，Apk）的格式，以便安裝使用。Apk是一種壓縮格式，它包含由Java類編譯后的二進(jìn)制文件集合dex文件和程序使用的圖片、音頻、配置文件、界面布局文件、C／C＋＋靜態(tài)庫等資源文件。

1．2 Android軟件平臺

Android OS是Google公司最新推出的面向下一代以移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)為核心的智能終端開源平臺，它本身是一套軟件堆層 （Software Stack），堆層的具體構(gòu)成框架如圖1所示。其中，標(biāo)準(zhǔn)庫包括Android封裝好的核心類庫以及Java語言API中的基本類庫；Dalvik虛擬機是谷歌改進(jìn)的Java虛擬機，是基于寄存器的而不是傳統(tǒng)的基于棧的虛擬機，它同時改進(jìn)了內(nèi)存資源使用的優(yōu)化以及支持多個虛擬機的特點，Android系統(tǒng)下的每一個程序在運行時都有一個Dalvik虛擬機的實例；應(yīng)用程序框架層，封裝了Android應(yīng)用程序開發(fā)所需要用到的API，為開發(fā)者提供可重用的組件；應(yīng)用層是Android系統(tǒng)的表面層，負(fù)責(zé)用戶與手機之間的可視化交互，集成了Android OS堆層的具體構(gòu)成框架Android的所有核心應(yīng)用程序與開發(fā)者開發(fā)的應(yīng)用程序。由圖1可見，應(yīng)用程序雖然表面是用Java語言寫的，但當(dāng)涉及到本地庫或者內(nèi)核層時，便會用到JNI技術(shù)調(diào)用本地程序，也就會編譯成NDK應(yīng)用程序。

Android軟件開發(fā)平臺的安裝支持3種主流操作系統(tǒng)：Windows、Mac OS和Linux。筆者選擇Linux系統(tǒng)，因為Linux下可以更方便使用編譯工具，如NDK［4］。安裝Android的開發(fā)平臺，首先要在官網(wǎng)下載Android SDK，這個開發(fā)包中包含了各種必備的調(diào)試命令和應(yīng)用程序的API；然后下載較新版本的Eclipse，并且給它安裝Android的開發(fā)插件ADT；由于Eclipse用于編寫和編譯Java代碼，故Linux系統(tǒng)必須安裝好Java環(huán)境；然后在官網(wǎng)下載NDK工具；最后配置一下Linux的環(huán)境變量就完成了開發(fā)環(huán)境的搭建。

圖1 Android OS堆層的具體構(gòu)成框架

2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

2．1 軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)

軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)采用MVC模式來進(jìn)行構(gòu)建 （見圖2）。模型是應(yīng)用程序的主體部分，代表了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)邏輯，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生改變時，它負(fù)責(zé)通知視圖部分。由于同一個模型可以被多個視圖重用，所以提高了應(yīng)用的可重用性。視圖是用戶看到并與之交互的界面，它向用戶顯示相關(guān)的數(shù)據(jù)，并能接收用戶的輸入數(shù)據(jù)，但是它并不進(jìn)行任何實際的業(yè)務(wù)處理。視圖能接受模型發(fā)出的數(shù)據(jù)更新事件，從而對用戶界面進(jìn)行同步更新，還可以向模型查詢業(yè)務(wù)狀態(tài)，但不能改變模型?？刂破髫?fù)責(zé)邏輯處理、控制實體數(shù)據(jù)在視圖上展示、調(diào)用模型處理業(yè)務(wù)請求。

在Android程序開發(fā)過程中，控制部分采用Java語言編寫，針對不同的數(shù)據(jù)模型和控制程序可以定義在不同的包中。另外，Android對數(shù)據(jù)的存儲方式［5］有Shared Preference、Content Provider和SQLite等來屏蔽底層具體的存儲細(xì)節(jié)，從而使應(yīng)用系統(tǒng)具有良好的數(shù)據(jù)遷移性。視圖層則可以通過定義XML文件的方式來設(shè)計用戶界面。用戶界面通常設(shè)計為觸摸、按鍵和其他感應(yīng)器共同操控的交互方式。由于每一個Xml布局文件都是單獨編寫的文件，故與數(shù)據(jù)模型和控制部分完全分離，提高 了程序的易讀性和可重用性。

圖2 客戶端MVC結(jié)構(gòu)圖

2．2 基于Socket的網(wǎng)絡(luò)通信

Socket通信是采用客戶機／服務(wù)器（Client／Server） 的 工 作 模 式［6］， 利 用Socket網(wǎng)絡(luò)通信接口來實現(xiàn)客戶機和服務(wù)器的通信。Socket接口是TCP／IP網(wǎng)絡(luò)的API，它在OSI（開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型）中主要集中在傳輸層和會話層。Socket通常也稱為 “套接字”，用于描述IP地址和端口，是一個通信連接句柄，應(yīng)用程序的通信是通過Socket向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請求或者應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)請求。Socket根據(jù)所采用的協(xié)議可以分為面向連接和面向非連接2種操作方法，采用TCP／IP協(xié)議的Socket操作方法是面向連接的可靠通信；采用UDP協(xié)議的Socket操作方法是面向非連接的不可靠通信。由于面向連接的可靠通信方式更能保證客戶機與服務(wù)器的數(shù)據(jù)同步性與一致性，故系統(tǒng)采用的是面向連接的方式。Android中提供了Socket和Server Socket 2個類，并實現(xiàn)了所有的Socket客戶端和服務(wù)器雙向連接。面向連接的Socket網(wǎng)絡(luò)通信的實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 面向連接的Socket網(wǎng)絡(luò)通信的實現(xiàn)流程

2．3 通信協(xié)議的設(shè)計

在Socket網(wǎng)絡(luò)通信的過程中，服務(wù)器端建立的初始狀態(tài)是阻塞等待接收客戶端的數(shù)據(jù)流，接收完之后返回數(shù)據(jù)流到客戶端，故這種通信的模型必須是由客戶端首先發(fā)起請求數(shù)據(jù)，然后與服務(wù)器之間形成數(shù)據(jù)往返循環(huán)進(jìn)行的交互形式。這種交互必須建立在一套完整的通信協(xié)議之下才能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕∪耘c高效性。Java語言中的Socket數(shù)據(jù)流被封裝成為輸出流 （OutputStream）和輸入流 （InputStream），傳輸?shù)幕締挝皇亲止?jié)，因此，通信協(xié)議的定義與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都被編排成字節(jié)數(shù)組的格式。對于字符串類型（String），由于在傳輸?shù)奈募Q包含中文字符時，必須用16位長度的編碼格式，故筆者采用的是UTF-16LE的編碼格式，這種格式下字符串中的字符占用2個字節(jié)，在Java語言中通過String．getBytes（“utf-16le”）方法將字符串中的字符依次轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的字節(jié)，從而返回字符串對應(yīng)的字節(jié)數(shù)組；通過new String（byteArray，“utf-16le”）的方法將字節(jié)數(shù)組中的字節(jié)依次轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的字符，從而返回一個完整的字符串。對于整型數(shù)據(jù)類型 （Integer），在Java語言中占4個字節(jié)的長度，通過4次移位相與的方法轉(zhuǎn)換成一個4個字節(jié)數(shù)組；同樣地，對于一個整型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的4字節(jié)數(shù)組，也可以通過4次移位相與的方法轉(zhuǎn)換成一個整型數(shù)據(jù)。對于文件的數(shù)據(jù)類型，在Android中可以通過FileInputStream和FileOutputStream的方法來構(gòu)造文件輸入流和文件輸出流，這種數(shù)據(jù)流也是以字節(jié)為單位，故可以直接與Socket網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流對接，無需轉(zhuǎn)換或包裝。

在用戶的操作過程中，以客戶端作為主要人機交互端，它包含查看服務(wù)器的文件列表、進(jìn)入文件夾、下載、發(fā)送和刪除文件或文件夾等操作。服務(wù)器則被動地響應(yīng)客戶端的請求操作，但無需用戶手動操作，它會自動循環(huán)解析客戶端的請求指令，然后回復(fù)相應(yīng)的返回指令和數(shù)據(jù)。指令是一個由整型數(shù)字轉(zhuǎn)換成的4字節(jié)數(shù)組，所有的指令所對應(yīng)的數(shù)字代碼都是唯一的。客戶端的請求指令與服務(wù)器回復(fù)的指令所采用的格式是不同的?？蛻舳税l(fā)送的完整請求數(shù)據(jù)格式為：指令＋數(shù)據(jù)長度＋數(shù)據(jù)內(nèi)容，其中數(shù)據(jù)長度也是一個整型數(shù)組轉(zhuǎn)換成的4字節(jié)數(shù)組，它指示的是后面數(shù)據(jù)內(nèi)容的長度，后面的數(shù)據(jù)內(nèi)容可能是文件名稱或者文件信息數(shù)據(jù)。服務(wù)端回復(fù)的完整數(shù)據(jù)格式為：回復(fù)指令＋數(shù)據(jù)內(nèi)容，其中回復(fù)指令為16字節(jié)的數(shù)組，它的格式為：指令＋錯誤信息＋結(jié)束符＋數(shù)據(jù)長度，這4個部分都是4字節(jié)數(shù)組，錯誤信息指示服務(wù)器在作出回應(yīng)過程中的錯誤類型 （沒有錯誤回復(fù)0）；結(jié)束符指示當(dāng)前信息是第幾條文件，當(dāng)前文件路徑返回1，結(jié)束返回0；數(shù)據(jù)長度指示后面的數(shù)據(jù)內(nèi)容長度，可能是文件名稱或者文件信息數(shù)據(jù)。

2．4 文件操作與管理

在Android編程中，對文件的操作仍然遵循Java語言中的方法。該系統(tǒng)對文件和文件夾的管理包括創(chuàng)建、刪除、修改和傳輸，對文件夾的操作實際上是對其目錄下的所有文件依次進(jìn)行操作，其中操作最復(fù)雜的也是該系統(tǒng)最重要的部分便是文件的傳輸功能。由于在傳輸過程中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流和文件數(shù)據(jù)流都是以字節(jié)數(shù)組的形式包裝的，而這些字節(jié)數(shù)組需要占用Dalvik虛擬機中大量的內(nèi)存空間，當(dāng)文件過大時，虛擬機就會因無法給對象分配足夠的內(nèi)存空間而導(dǎo)致內(nèi)存溢出的錯誤。本設(shè)計對此問題采取了以下的解決方案：對文件的傳輸設(shè)定一個傳輸塊，大小設(shè)定為5MB，若文件所占空間小于傳輸塊，那么就可以一次讀取或?qū)懭?，不會引起?nèi)存溢出的問題；若文件所占空間大于傳輸塊，則大文件按照傳輸塊分成若干次分組發(fā)送或者接收，每組發(fā)送過后都要調(diào)用System．gc（）方法來回收不用的內(nèi)存空間。為了便于將一個文件分成多次讀取或者寫入內(nèi)容，使用了RandomAccessFile類，這是一個支持?jǐn)帱c續(xù)傳的文件類，它建立在一個文件的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建的時候要申明讀寫權(quán)限，它可以直接讀取或?qū)懭胱止?jié)流，并可以設(shè)置標(biāo)記，實現(xiàn)對文件的斷點續(xù)傳。

在文件的傳輸過程中，需要消耗大量的機器資源和時間，而Android系統(tǒng)對程序設(shè)置了一個響應(yīng)時間，如果超出這個時間沒有響應(yīng)系統(tǒng)就會提醒用戶關(guān)閉程序。由于人機交互界面視圖工作在主線程，若在主線程處理大量的操作，就會出現(xiàn)界面無響應(yīng)的現(xiàn)象，若使用子線程，必須用到Handler方法（Android中線程消息的管理者），才能間接訪問到界面視圖，增加了程序的復(fù)雜度。針對這種耗時長的操作Android系統(tǒng)設(shè)計了異步任務(wù) （AsyncTask）的方法，異步任務(wù)的設(shè)計很好地解決了匿名線程存在的問題。對文件的傳輸操作都是放在異步任務(wù)中執(zhí)行的，實現(xiàn)了友好的人機交互界面。

2．5 權(quán)限控制

在Android應(yīng)用程序開發(fā)中，應(yīng)用程序?qū)κ謾C重要功能組件的訪問有著嚴(yán)格的權(quán)限控制方法，對涉及到手機安全［7］的操作 （如使用電話和短信服務(wù)、訪問網(wǎng)絡(luò)或者內(nèi)存等）以授權(quán)的方式控制。每一個Android工程目錄下都有一個清單文件AndroidManifest．xml，清單可以定義應(yīng)用程序及其組件的結(jié)構(gòu)和元數(shù)據(jù)，包括軟件安全模型中的訪問權(quán)限控制。在清單中必須添加uses-permission標(biāo)簽來創(chuàng)建所需要的權(quán)限定義之后，程序才可以使用這些受保護(hù)的組件。在安裝程序的時候，就會請求用戶授權(quán)清單文件中設(shè)定的權(quán)限，當(dāng)用戶同意授權(quán)之后才可以安裝運行程序。該系統(tǒng)所使用到的權(quán)限有：網(wǎng)絡(luò)訪問、WiFi狀態(tài)訪問、手機振動、內(nèi)存卡訪問以及喚醒鎖的權(quán)限。權(quán)限解釋：網(wǎng)絡(luò)與WiFi權(quán)限用于訪問無線局域網(wǎng)；手機振動用于提醒用戶狀態(tài)的改變；內(nèi)存卡的訪問是文件管理的前提；喚醒鎖是為了防止系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3 結(jié) 語

在Android平臺下采用WiFi方式實現(xiàn)設(shè)備之間文件互傳，大大提高了短距離通信的效率。不僅如此，該系統(tǒng)支持最低版本Android1．5平臺，而目前市場上的Android設(shè)備所使用的系統(tǒng)版本基本在此版本之上，因此，該系統(tǒng)基本可以安裝運行于所有的Android智能手機和平板電腦。智能終端上的WiFi應(yīng)用日益廣泛，相信不久的將來一定可以給廣大的消費者帶來更多便捷的服務(wù)。

［1］吳功宜 ．計算機網(wǎng)絡(luò)高級教程 ［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2007：133-144．

［2］Google．Android official website ［EB／OL］．http：／／www．a(chǎn)ndroid．com／index．html，2012-09-05．

［3］張琨 ．基于Android平臺的WLAN解決方案 ［D］．濟南：山東大學(xué)，2010．

［4］Google．Android NDK ｜ Android Developers［DB／OL］．http：／／developer．a(chǎn)ndroid．co m／tools／sdk／ndk／index．html，2012-09-05．

［5］Meier R．Android高級編程 ［M］．王鵬杰，霍建同 譯 ．北京：清華大學(xué)出版社，2010：187-209．

［6］蔣敏，單家芳，孔軍 ．基于socket的多平臺通信研究 ［J］．計算機工程與應(yīng)用，2005（36）：135-141．

［7］Burns J．Developing secure mobile applications for android ［DB／OL］．http：／／www．isecpartner s．com／white-papers／，2012-09-05．