基于I/O緩沖區(qū)讀寫(xiě)的控制臺(tái)遠(yuǎn)程交互模型

唐 磊，宋宇波，藍(lán)智靈

(東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096)

1 概述

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程交互以運(yùn)行各種應(yīng)用或服務(wù)程序，人們可以更方便安全地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程辦公等工作[1]，具有巨大的市場(chǎng)前景。在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中，Microsoft公司的Windows系統(tǒng)因其卓越的易用性和絢麗的視覺(jué)效果成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中大眾用戶的首選。Windows系統(tǒng)主要提供了2種與系統(tǒng)交互的方式：可視化操作和命令行操作。

基于可視化操作，Windows系統(tǒng)提供了如遠(yuǎn)程桌面連接等途徑[2]，遠(yuǎn)程桌面連接基于遠(yuǎn)程桌面協(xié)議(Remote Desktop Protocol, RDP)[3]。為了保障通信數(shù)據(jù)的安全，可以采用SSL-VPN進(jìn)行加密處理[4-5]。

而在命令行操作方面，現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)命令行操作的常規(guī)方法主要是將控制臺(tái)程序窗口的標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出重定向到其父進(jìn)程的發(fā)送/接收管道上[6]，或者是重定向到用于遠(yuǎn)程通信的基于TCP/IP協(xié)議的套接字上[7]。由于一些系統(tǒng)安防軟件會(huì)對(duì)系統(tǒng)中程序標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出的重定向進(jìn)行審核，因此該方法與這些安防軟件的兼容性較差，會(huì)使其產(chǎn)生誤報(bào)或者誤刪等錯(cuò)誤操作，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。于此同時(shí)，由于系統(tǒng)自帶的常用控制臺(tái)程序只能用于本機(jī)操作，沒(méi)有添加遠(yuǎn)程通信的模塊，為了將控制臺(tái)程序用于遠(yuǎn)程交互，需要修改程序源代碼，在程序中添加與遠(yuǎn)程通信的接口。該方法無(wú)法適用于已經(jīng)成型的控制臺(tái)程序，即對(duì)于控制臺(tái)程序的向下兼容性較差。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種控制臺(tái)遠(yuǎn)程交互模型，并設(shè)計(jì)一種控制臺(tái)程序加載器。

2 控制臺(tái)遠(yuǎn)程交互

控制臺(tái)程序是Windows為了兼容DOS程序而設(shè)立的沒(méi)有獨(dú)立窗口的程序，一般在命令行下(cmd.exe)運(yùn)行?？刂婆_(tái)程序的輸入輸出是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)I/O進(jìn)行的，不像界面程序可以通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊進(jìn)行操作。一般后臺(tái)運(yùn)行的程序可作為控制臺(tái)程序。

控制臺(tái)I/O緩沖區(qū)包括輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)(屏幕緩沖區(qū))。輸入緩沖區(qū)能夠存儲(chǔ)輸入記錄序列，該序列中包含了各種輸入事件的信息，如鍵盤(pán)事件和鼠標(biāo)事件等；輸出緩沖區(qū)是控制臺(tái)窗口的一個(gè)二維的字符數(shù)組和彩色數(shù)據(jù)，即屏幕中的文本和背景顏色屬性等信息。

所謂遠(yuǎn)程交互，是指用戶在異地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與本地計(jì)算機(jī)通信[8]。隨著網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，電腦遠(yuǎn)程交互技術(shù)越來(lái)越引起人們的關(guān)注。目前遠(yuǎn)程交互的主要應(yīng)用包括遠(yuǎn)程辦公、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程協(xié)助等。

3 遠(yuǎn)程交互模型分析

為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)安防軟件的兼容性，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)控制臺(tái)程序良好的兼容性，本文提出一種新型的基于I/O緩沖區(qū)讀寫(xiě)的控制臺(tái)程序遠(yuǎn)程交互模型。該模型克服現(xiàn)有解決方案中容易與系統(tǒng)軟件沖突導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的不足，并且為了增強(qiáng)對(duì)控制臺(tái)程序的兼容性，提出了一種全新的架構(gòu)。在保證控制臺(tái)程序完整性的前提下，為控制臺(tái)程序提供了一個(gè)加載器，如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程交互模型拓?fù)鋱D

該加載器作為控制臺(tái)程序的父進(jìn)程，采用模擬鍵盤(pán)輸入到窗口輸入緩沖區(qū)的方式作為控制臺(tái)窗口的輸入，并通過(guò)獲取控制臺(tái)窗口的輸出緩沖區(qū)數(shù)據(jù)得到輸出。由加載該控制臺(tái)程序的父進(jìn)程與其進(jìn)行交互，父進(jìn)程通過(guò) Windows套接字(Winsock)與遠(yuǎn)程用戶進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制臺(tái)程序的遠(yuǎn)程交互。

3.1 遠(yuǎn)程交互模型的結(jié)構(gòu)

該模型的遠(yuǎn)程交互包括以下組件：遠(yuǎn)程主機(jī)接入端和本地控制臺(tái)程序加載器；遠(yuǎn)程主機(jī)接入端與本地控制臺(tái)程序加載器通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)(有線或者無(wú)線)相互通信。

遠(yuǎn)程主機(jī)接入端具體包括人機(jī)交互模塊和遠(yuǎn)程通信模塊；2個(gè)功能模塊在遠(yuǎn)程主機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行。當(dāng)人機(jī)交互模塊接收到用戶的命令時(shí)，將命令轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程通信模塊，遠(yuǎn)程通信模塊將命令通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給本地控制臺(tái)程序加載器；當(dāng)遠(yuǎn)程通信模塊收到本地控制臺(tái)程序加載器發(fā)送的回顯數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給人機(jī)交互模塊，人機(jī)交互模塊再將數(shù)據(jù)顯示給用戶。

本地控制臺(tái)程序加載器具體包括本地通信模塊和控制臺(tái)交互模塊；2個(gè)功能模塊在本地主機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行。當(dāng)本地通信模塊收到命令后，將命令轉(zhuǎn)發(fā)給控制臺(tái)交互模塊，控制臺(tái)交互模塊將命令作為控制臺(tái)程序命令行窗口的輸入傳遞給控制臺(tái)程序；當(dāng)控制臺(tái)交互模塊獲取到控制臺(tái)程序命令行窗口的回顯數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給本地通信模塊，本地通信模塊再將回顯數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程主機(jī)接入端。圖2為該模型結(jié)構(gòu)及模塊間連接關(guān)系示意圖。

圖2 遠(yuǎn)程交互模型結(jié)構(gòu)及模塊間連接關(guān)系示意圖

如圖2所示，該模型遠(yuǎn)程交互流程如下：

(1)本地控制臺(tái)程序加載器初始化，等待遠(yuǎn)程主機(jī)接入端的連接。

(2)遠(yuǎn)程主機(jī)接入端初始化，與本地控制臺(tái)程序加載器建立連接，做好通信準(zhǔn)備。

(3)用戶對(duì)遠(yuǎn)程主機(jī)接入端進(jìn)行配置，輸入控制命令。

(4)遠(yuǎn)程主機(jī)接入端接收到用戶命令，將命令通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給本地控制臺(tái)程序加載器。

(5)本地控制臺(tái)程序加載器接收到命令數(shù)據(jù)，將命令通過(guò)模擬鍵盤(pán)輸入的方式作為控制臺(tái)程序命令行窗口的輸入數(shù)據(jù)傳遞給控制臺(tái)程序。

(6)當(dāng)控制臺(tái)程序處理完命令輸出回顯數(shù)據(jù)時(shí)，本地控制臺(tái)程序加載器從控制臺(tái)程序命令行窗口的輸出緩沖區(qū)獲取到回顯數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程主機(jī)接入端。

遠(yuǎn)程主機(jī)接入端接收到回顯數(shù)據(jù)，通過(guò)人機(jī)交互模塊顯示給用戶。

3.2 加載器交互模塊分析

圖3為加載器中控制臺(tái)交互模塊流程。

圖3 加載器交互模塊流程

如圖3所示，在與控制臺(tái)程序的命令行窗口交互前，加載器的控制臺(tái)交互模塊先進(jìn)行初始化，創(chuàng)建用于處理控制臺(tái)程序命令行窗口輸入輸出的2個(gè)線程。成功創(chuàng)建線程后，創(chuàng)建控制臺(tái)程序子進(jìn)程。創(chuàng)建成功后，將本地控制臺(tái)程序加載器(父進(jìn)程)的命令行窗口附著到控制臺(tái)程序的命令行窗口上。加載器接收到命令后，輸入線程通過(guò)模擬鍵盤(pán)輸入到窗口輸入緩沖區(qū)的方式將命令輸入到控制臺(tái)程序的命令行窗口，控制臺(tái)程序處理完命令后，加載器的輸出線程從命令行窗口輸出緩沖區(qū)中獲取到回顯數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程主機(jī)接入端。當(dāng)加載器的輸入線程收到的是終止命令時(shí)，本地控制臺(tái)程序加載器終止輸入輸出雙線程，然后結(jié)束控制臺(tái)程序子進(jìn)程和自身進(jìn)程。

3.3 加載器交互模塊具體實(shí)施方案

結(jié)合圖2對(duì)該模型中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)實(shí)例說(shuō)明。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境：互聯(lián)網(wǎng)/局域網(wǎng)；硬件設(shè)備：2臺(tái) PC機(jī)；運(yùn)行平臺(tái)：Windows XP；控制臺(tái)程序：cmd.exe。

如圖2所示，模型中的遠(yuǎn)程主機(jī)接入端運(yùn)行在一臺(tái)遠(yuǎn)程PC機(jī)上，它的作用是通過(guò)人機(jī)交互模塊接收用戶輸入的命令，使用遠(yuǎn)程通信模塊，將命令經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給本地控制臺(tái)程序加載器。本地控制臺(tái)程序加載器通過(guò)本地通信模塊接收遠(yuǎn)程主機(jī)接入端發(fā)送的命令，將命令由控制臺(tái)交互模塊作為命令行窗口的輸入傳給控制臺(tái)程序；控制臺(tái)程序處理完相應(yīng)命令后，向命令行窗口輸出回顯數(shù)據(jù)，本地控制臺(tái)程序加載器的控制臺(tái)交互模塊從控制臺(tái)程序的命令行窗口輸出緩沖區(qū)中獲取回顯數(shù)據(jù)，再將回顯數(shù)據(jù)通過(guò)本地通信模塊由網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程主機(jī)接入端。遠(yuǎn)程主機(jī)接入端通過(guò)遠(yuǎn)程通信模塊接收回顯數(shù)據(jù)，再將回顯數(shù)據(jù)通過(guò)人機(jī)交互模塊顯示給用戶。

下面介紹在 Windows環(huán)境下加載器控制臺(tái)交互模塊的具體實(shí)施方法。Microsoft的 Windows系統(tǒng)提供一整套API函數(shù)庫(kù)方便編程人員進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。如圖3所示，具體步驟如下：

(1)加載器控制臺(tái)交互模塊先進(jìn)行初始化，并調(diào)用函數(shù)創(chuàng)建用于傳遞命令行窗口輸入輸出數(shù)據(jù)的I/O雙線程。

(2)調(diào)用函數(shù)，創(chuàng)建控制臺(tái)程序進(jìn)程(cmd子進(jìn)程)。

(3)調(diào)用函數(shù)，將本地控制臺(tái)程序加載器的命令行窗口附著在cmd子進(jìn)程的命令行窗口上。這樣做的結(jié)果是本地控制臺(tái)程序加載器的命令行窗口的輸入會(huì)成為cmd子進(jìn)程窗口的輸入，cmd子進(jìn)程窗口的輸出會(huì)成為本地控制臺(tái)程序加載器的命令行窗口的輸出。因此，只需要操作本地控制臺(tái)程序加載器的命令行窗口，就可以實(shí)現(xiàn)與cmd子進(jìn)程命令行窗口的交互。

(4)當(dāng)加載器控制臺(tái)交互模塊收到遠(yuǎn)程發(fā)送來(lái)的用戶命令時(shí)，如果是退出命令，則控制臺(tái)交互模塊終止I/O雙線程，然后退出自身程序。

(5)如果不是退出命令，輸入線程調(diào)用函數(shù)，打開(kāi)“CONIN$”，即 cmd子進(jìn)程命令行窗口的輸入緩沖區(qū)，結(jié)構(gòu)INPUT_RECORD描述了命令行窗口輸入緩沖區(qū)的一個(gè)輸入事件[9]，鍵盤(pán)的一次按鍵的事件可以存儲(chǔ)的一個(gè)INPUT_RECORD結(jié)構(gòu)中，因此，將輸入命令的字符存儲(chǔ)在INPUT_RECORD結(jié)構(gòu)數(shù)組中，調(diào)用函數(shù)將命令輸入到命令行窗口中，即模擬鍵盤(pán)輸入的技術(shù)。

(6)當(dāng) cmd子進(jìn)程命令行窗口產(chǎn)生回顯數(shù)據(jù)時(shí)，輸出線程調(diào)用函數(shù)，打開(kāi)“CONOUT$”，即 cmd子進(jìn)程命令行窗口的輸出緩沖區(qū)，調(diào)用函數(shù)，獲取cmd子進(jìn)程命令行窗口的大小(寬高)[10]，根據(jù)大小確定一次從輸出緩沖區(qū)中讀取的字符數(shù)，再調(diào)用函數(shù)，從輸出緩沖區(qū)中讀取相應(yīng)的字符。

4 模型測(cè)試結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)軟件兼容性

為了測(cè)試該模型對(duì)系統(tǒng)安防軟件的兼容性，針對(duì)目前主流的安防軟件分別搭建了相應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)，包括 360殺毒/安全衛(wèi)士、卡巴斯基 2011Kav、NOD32和諾頓2011。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)安防軟件兼容性測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出，基于控制臺(tái)程序窗口標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出重定向的方式會(huì)使安防軟件產(chǎn)生誤報(bào)或者誤刪等錯(cuò)誤操作，兼容性較差，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；基于控制臺(tái)程序窗口I/O緩沖區(qū)讀寫(xiě)的方式能夠有效避免安防軟件的誤報(bào)和誤刪，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證了與系統(tǒng)安防軟件的兼容性。

4.2 控制臺(tái)程序兼容性

為了測(cè)試該模型對(duì)控制臺(tái)程序的兼容性，針對(duì)目前常用的控制臺(tái)程序搭建了相應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)，包括cmd.exe、ipconfig.exe、telnet.exe、ftp.exe、nslookup.exe、NetCapture.exe和 ping.exe。測(cè)試結(jié)果如表 2所示。

表2 控制臺(tái)程序兼容性測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出，由于常用的系統(tǒng)提供的控制臺(tái)程序中沒(méi)有提供用于對(duì)外通信的模塊，因此無(wú)法與其他程序通信。而NetCapture.exe是第三方的控制臺(tái)程序，自身帶有通信模塊，所以能夠兼容?；诳刂婆_(tái)程序窗口標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出重定向的方式在不修改控制臺(tái)程序的前提下，無(wú)法用于常用的系統(tǒng)控制臺(tái)程序；基于控制臺(tái)程序窗口I/O緩沖區(qū)讀寫(xiě)的方式能夠?qū)⒖刂婆_(tái)程序作為單獨(dú)模塊，保證其完整性，因此，可以很好地用于常用的各種控制臺(tái)程序，保證該模型對(duì)控制臺(tái)程序的兼容性。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于現(xiàn)有方案中需要對(duì)控制臺(tái)程序的標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出進(jìn)行重定向，容易與系統(tǒng)軟件發(fā)生沖突，并導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；同時(shí)為了支持遠(yuǎn)程交互，需要對(duì)控制臺(tái)程序進(jìn)行修改，添加遠(yuǎn)程通信模塊，因此對(duì)控制臺(tái)程序的兼容性較差。

本文提出了一種基于I/O緩沖區(qū)讀寫(xiě)的控制臺(tái)遠(yuǎn)程交互模型，將控制臺(tái)程序作為獨(dú)立模塊，并設(shè)計(jì)了用于擴(kuò)展其功能的加載器，無(wú)需對(duì)控制臺(tái)程序進(jìn)行修改。該加載器采用模擬鍵盤(pán)輸入到控制臺(tái)窗口輸入緩沖區(qū)的方式實(shí)現(xiàn)控制臺(tái)程序命令行窗口的輸入，從控制臺(tái)窗口的輸出緩沖區(qū)中獲取回顯數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)使本地控制臺(tái)程序與遠(yuǎn)程主機(jī)接入端進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)非重定向條件下與控制臺(tái)程序的交互，增強(qiáng)了對(duì)不同類(lèi)型控制臺(tái)程序的兼容性。

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