Android手機與內(nèi)網(wǎng)PC通信系統(tǒng)的設(shè)計與現(xiàn)實

彭鳳凌，庹先國，2，王洪輝，蒲建華

（1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都610059；2.西南科技大學(xué) 核廢物與環(huán)境安全國防重點學(xué)科實驗室，四川 綿陽621010）

0 引 言

NAT技術(shù)［1－3］的發(fā)展雖然緩解了IP地址枯竭問題，但卻使得公網(wǎng)不能主動訪問內(nèi)網(wǎng)，位于兩個不同NAT設(shè)備后的客戶端通信問題更是麻煩，給通信帶來了極大不便。而不同內(nèi)網(wǎng)之間通信的應(yīng)用在當(dāng)今信息時代無處不在，如在移動電子商務(wù)方面［4］，甚至將移動終端納入互聯(lián)網(wǎng)上一個普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并與其它平臺通信和進行各種事務(wù)的處理，因此怎樣突破NAT設(shè)備實現(xiàn)不同內(nèi)網(wǎng)的通信顯得十分重要。對此，前人有許多研究，如文獻 ［5］介紹了一種UDP協(xié)議通過打洞實現(xiàn)與內(nèi)網(wǎng)通信的方法［5］，該通信方案比較完善，但UDP協(xié)議建立的端口映射不能持久，也就不能夠保證打洞的可靠性和穩(wěn)定性，且UDP本身不可靠，當(dāng)需要實現(xiàn)大數(shù)據(jù) （如文件）傳輸時，需要改進協(xié)議解決數(shù)據(jù)掉包等問題，使得通信過程復(fù)雜，信息傳遞的實時性差。文獻 ［6］提出了一種TCP協(xié)議的P2P通信方法［6］，雖能保證通信的可靠性，但是通信方案會因NAT設(shè)備類型的不同而有所變化，且對于屬于 “對稱型”的NAT設(shè)備，文獻［5－6］所提出的方法往往不能夠真正穿透內(nèi)網(wǎng)。基于以上問題，筆者通過對Android系統(tǒng)平臺手機的無線通信技術(shù)進行研究，在摒棄 “打洞”思路基礎(chǔ)上采用 “轉(zhuǎn)發(fā)”思路，設(shè)計并實現(xiàn)了基于Android手機與內(nèi)網(wǎng)PC的通信系統(tǒng)。在確保通信安全性基礎(chǔ)上能突破所有NAT設(shè)備 （包括最難實現(xiàn)打洞的 “對稱式”NAT設(shè)備）。此外，該系統(tǒng)在實現(xiàn)信息傳輸和遠程控制功能上提供了擴展接口便于二次開發(fā)并用在不同通信場合，具有一定借鑒價值。

1 Android API分析

Android應(yīng)用程序一般由活動、服務(wù)、廣播接收者和內(nèi)容提供者四部分組成［7－10］，活動用于界面顯示和各種功能的實現(xiàn)，服務(wù)是運行于后臺無界面的程序，廣播接收者提供系統(tǒng)內(nèi)的所有廣播實現(xiàn)，內(nèi)容提供者則為其他程序提供數(shù)據(jù)讀取和存儲。而本文中，Android應(yīng)用程序主要由活動完成，下面對用到的重要API做介紹：①socket類 （主要完成Socket網(wǎng)絡(luò)通信），它的getOutputStream方法可以獲取輸出流用于發(fā)送信息，getInputStream方法用于讀取信息到指定緩沖區(qū)，close方法用于關(guān)閉套接字結(jié)束通信。②OutputStream類、，OutputStreamWriter類和BufferedWriter類 （完成將數(shù)據(jù)寫入到輸出流），主要運用write方法寫入數(shù)據(jù)，使用flush方法發(fā)送數(shù)據(jù)。InputStream類 （完成將數(shù)據(jù)從指定區(qū)域讀出），主要用read方法讀取數(shù)據(jù)。

2 通信系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 公網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)通信規(guī)則

公網(wǎng)指國際互聯(lián)網(wǎng)，而內(nèi)網(wǎng)指局域網(wǎng)。通常內(nèi)網(wǎng)都是位于NAT設(shè)備后，因此只要能夠突破NAT設(shè)備，就能實現(xiàn)與內(nèi)網(wǎng)的通信。由于網(wǎng)絡(luò)安全性及NAT技術(shù)的出現(xiàn)等問題，公網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)的通信必須遵循一些規(guī)則。對于一臺具有公網(wǎng)IP的計算機來說，它是放在Internet上且具有全球唯一性，其它任何計算機都可以主動與它通信，但對于一個只具有內(nèi)網(wǎng)IP的計算機而言，由于它的IP在Internet上是不被認可的，因此它只能被位于同樣內(nèi)網(wǎng)的計算機主動訪問到，不能被位于公網(wǎng)或其它內(nèi)網(wǎng)的計算機主動訪問到。根據(jù)此規(guī)則，由于Android手機聯(lián)移動網(wǎng)后都是處于內(nèi)網(wǎng)的，因此不能直接與處于其它內(nèi)網(wǎng)的計算機通信。

2.2 Socket通信原理

Socket指套接字，它是實現(xiàn)兩個應(yīng)用程序之間通信的一種技術(shù)，通信雙發(fā)只需創(chuàng)建各自的Socket并將IP地址和端口等信息封裝到Socket里，就可以直接通過操作Socket來完成信息的傳輸。采用此技術(shù)一般有兩種通信方式，即TCP和UDP。由于TCP通信方式比UDP更加可靠，加之本文設(shè)計的通信系統(tǒng)也涉及到文件傳輸，對通信可靠性要求比較高，因此本文采用TCP方式完成信息的傳輸。

2.3 突破內(nèi)網(wǎng)的方案設(shè)計

如圖1所示，根據(jù)公網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)通信規(guī)則和Socket通信原理，由于內(nèi)網(wǎng)PC和Android手機都可以主動向公網(wǎng)PC發(fā)出連接請求并與公網(wǎng)PC通信，因此Android手機可以通過公網(wǎng)PC將信息轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)網(wǎng)PC從而實現(xiàn)手機與內(nèi)網(wǎng)PC的通信。為闡述方便，下面將Android手機端稱A方，將公網(wǎng)PC稱S方，將內(nèi)網(wǎng)PC稱B方。首先A和B都通過創(chuàng)建Socket向S發(fā)出連接請求，S通過創(chuàng)建兩個不同的Socket分別接受來自A和B的連接請求，這樣，A和S之間可以相互通信 （稱第一階段），B和S之間也可以相互通信（稱第二階段）。接下來A先將信息封裝并發(fā)送到S，S收到信息后將其拆封，取出相關(guān)信息后，將信息再次封裝并向B發(fā)送信息。B收到信息后將其拆封，取出需要信息然后交由信息處理機制進行下一步的處理。整個過程涉及兩次信息封裝和信息拆封。對于A方采用Eclipse并用Java語言建立Android應(yīng)用程序開發(fā)，對于S方和B方采用Visual C＋＋并用C語言建立Win32應(yīng)用程序開發(fā)，圖2為通信方案設(shè)計圖。

3 通信系統(tǒng)的實現(xiàn)

整個通信過程較復(fù)雜，如圖3所示，對于A方，為避免阻塞主線程，會開啟一個線程用于信息的傳輸，當(dāng)創(chuàng)建完Socket并將IP地址和端口號綁定后即可向S發(fā)出連接請求，請求一旦被S接受，A會根據(jù)之前用戶對界面的不同操作發(fā)送不同的數(shù)據(jù)包 （數(shù)據(jù)包1、數(shù)據(jù)包2和數(shù)據(jù)包3任選其一）。數(shù)據(jù)包1實現(xiàn)簡單的文本信息傳輸，它包含標識信息和字符串信息，數(shù)據(jù)包2實現(xiàn)簡單命令傳輸，它包含標識信息和命令編號信息，數(shù)據(jù)包3實現(xiàn)文件傳輸，它包含標識信息和文件名稱。若選擇發(fā)送的數(shù)據(jù)包是數(shù)據(jù)包1或數(shù)據(jù)包2，A方就基本完成了本次通信任務(wù)，若選擇的是數(shù)據(jù)包3，A方還需反復(fù)讀取文件并將文件二進制流方式分多次發(fā)送到S方從而完成文件的傳輸。對于S方，當(dāng)程序啟動后，為了實現(xiàn)接收與發(fā)送同時進行，會開啟兩個線程（線程1和線程2）創(chuàng)建兩個套接字 （SocketA和ScoketB），然后監(jiān)聽端口等待連接請求的到來。線程1用于接收信息，當(dāng)接受連接后，會接收來自A的信息并將信息進行拆封，根據(jù)拆封后得出的不同標識信息會進行不同的操作，若標識信息是 “1”，則將拆封出的字符串保存并重新封裝數(shù)據(jù)包1。當(dāng)標識信息是 “2”時，則將拆出的命令編號保存并重新封裝數(shù)據(jù)包2，當(dāng)標識信息是 “3”時，會首先創(chuàng)建一個空的臨時tmp文件，然后向A發(fā)送反饋信息表示已經(jīng)準備好接收文件，然后將每次接收到的二進制流寫入文件，最后將數(shù)據(jù)包3中拆出的文件名保存并重新封裝數(shù)據(jù)包3。S方無論收到哪個數(shù)據(jù)包，接收完畢后都會將X置1以啟動S的信息發(fā)送模塊。線程2用于發(fā)送信息，當(dāng)接受B的連接請求后，會判斷標識X是否為1，當(dāng)條件成立，表示S已經(jīng)將A發(fā)的信息接收完畢，此時會先將X置0，并根據(jù)線程1收到的標識信息決定將要發(fā)送給B的數(shù)據(jù)包，當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送完成后，S要做的工作與A之前要做的工作類似，因此不再說明。對于B，當(dāng)收到S發(fā)的信息后，所做的工作與S接收A發(fā)的信息類似，因此也不再說明，當(dāng)信息接收完成后，B會進入信息處理機制，收到文本信息會直接顯示在文本框中，收到的是命令編號則執(zhí)行相關(guān)操作，收到的文件會直接保存到硬盤。

圖3 通信流程

數(shù)據(jù)包封裝結(jié)構(gòu)見表1。

表1 數(shù)據(jù)包封裝結(jié)構(gòu)

3.1 信息封裝與拆封實現(xiàn)

在整個通信過程中涉及到多種類型信息的收發(fā)，如果每次的通信只實現(xiàn)一種信息的傳輸，不僅通信效率低且通信協(xié)議異常復(fù)雜，因此需要一種方式將多種類型信息進行封裝并一次性發(fā)送，以便接收方能夠拆封信息提取各種數(shù)據(jù)。但由于TCP通信方式是基于服務(wù)流的，無邊緣性保證，即每次發(fā)送信息只是將信息放入發(fā)送的緩沖區(qū)，接收方只是從接收緩沖區(qū)中提取出信息，至于信息何時發(fā)送，何時收到，都是不可控的，并且發(fā)送信息的次數(shù)不等于接收信息的次數(shù)，因此必須設(shè)計信息的封裝與拆封方法，這里本文采用結(jié)構(gòu)體的方式進行信息的封裝與拆封，對于S方和B方由于采用C語言開發(fā)，可直接定義結(jié)構(gòu)體，S方用定義的結(jié)構(gòu)體直接接收A方發(fā)送的信息，之后進行相關(guān)處理并用新的結(jié)構(gòu)體封裝提取出的信息并發(fā)送此結(jié)構(gòu)體給B方，B方也可直接用結(jié)構(gòu)體方式接收信息，并調(diào)用結(jié)構(gòu)體的成員變量提取各種數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理。但對于A方，由于Java語言沒有結(jié)構(gòu)體這種數(shù)據(jù)類型，所以必須模擬結(jié)構(gòu)體的存儲特點，先將各種類型的數(shù)據(jù)進行相關(guān)轉(zhuǎn)換，然后利用System.arraycopy方法將各種類型的數(shù)據(jù)按正確的順序?qū)懭氲捷敵隽髦腥ィ詈笾恍璨捎胒lush方法發(fā)送輸出流的數(shù)據(jù)即可，下面是整型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換方法和寫入數(shù)據(jù)到輸出流方法的相關(guān)代碼。

3.2 文件傳輸實現(xiàn)

由于采用TCP方式傳輸文件，因此不必擔(dān)心掉包和數(shù)據(jù)包亂序等問題，對于發(fā)送方來說，只需每次將文件的部分二進制讀出并立即發(fā)送，之后重復(fù)此動作直到文件讀完。對于接收方來說，只需每次將收到的二進制流寫入空文件并繼續(xù)接收信息，當(dāng)收不到信息表示文件傳輸完畢。這里為了屏蔽文件類型，S在接收到文件二進制流后，將其寫入tmp緩存文件中，并將A發(fā)送的文件名 （包括后綴名）一起封裝到數(shù)據(jù)包3中并發(fā)送給B，B在收到信息后首先利用收到的文件名創(chuàng)建空文件 （這樣就保證了A發(fā)送的文件類型與B創(chuàng)建的空文件類型一致），然后將收到的二進制流寫入空文件。當(dāng)所有二進制數(shù)據(jù)寫入完成，文件即傳輸完成。

3.3 信息處理機制實現(xiàn)

信息處理機制位于B方，如圖4所示，當(dāng)B收到數(shù)據(jù)包后，先拆開標識信息進行判斷，標識為1，則獲取文本并將其顯示在文本框。標識為2，則獲取編號并執(zhí)行相應(yīng)的操作 （圖中列舉了6種編號所對應(yīng)的操作，開發(fā)者可自行添加編號并增加相應(yīng)操作從而對該系統(tǒng)的遠程控制功能進行擴展和二次開發(fā)）。標識為3，則接收文件并保存到指定目錄。

圖4 信息處理流程

4 實 驗

第一：打開Android端、公網(wǎng)PC端和內(nèi)網(wǎng)PC端的應(yīng)用軟件。第二：在內(nèi)網(wǎng)PC軟件上的點擊 “建立連接”按鈕。第三：在Android手機端文本編輯右邊的框中輸入文字 （如 “我是張三”），點擊 “開始發(fā)送”按鈕，當(dāng)內(nèi)網(wǎng)PC端收到同樣字樣時，表示本次通信已經(jīng)突破了NAT設(shè)備。第四：在Android端命令編輯右邊的框中輸入命令編號（如003）點擊 “開始發(fā)送”按鈕，PC端會執(zhí)行相應(yīng)的操作。第五：在Android端點擊 “文件瀏覽”按鈕，選擇要發(fā)送的文件，點擊 “開始發(fā)送”按鈕，PC端會顯示收到文件的文件名，并將文件保存到指定目錄。圖5和圖6為手機端和PC端測試效果圖。

用軟件通過大量測試，該系統(tǒng)不僅能夠高效實時的實現(xiàn)手機與內(nèi)網(wǎng)PC的通信 （包括文件的傳輸），且能夠?qū)崿F(xiàn)對PC的遠程控制功能，通信系統(tǒng)良好。

5 結(jié)束語

本文首先通過對Android通信相關(guān)API進行了分析，在遵循公網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)通信規(guī)則和Socket通信原理基礎(chǔ)上，利用第三方服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)信息這一思路，設(shè)計并實現(xiàn)了Android手機與內(nèi)網(wǎng)PC的通信系統(tǒng)，最后通過實驗驗證了該系統(tǒng)的可靠性。針對該系統(tǒng)的 “信息轉(zhuǎn)發(fā)”機制，本文設(shè)計了嚴謹?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開發(fā)者提供了參考價值。同時該系統(tǒng)很好的實現(xiàn)了移動終端與內(nèi)網(wǎng)PC間的信息傳輸和遠程控制功能，無論是科學(xué)研究還是實際應(yīng)用都有一定借鑒價值。

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