本章提要

通信（communication）是网络应用程序设计的基础。本章就通信设计空间（design dimension）作了领域分析（domain analysis），介绍了网络应用程序之间相互作用的规则（rule）、形式（form）和抽象层次。在本章中，我们将论及以下设计空间：

l  无连接协议与面向连接协议；

l  同步及异步消息(message)交换；

l  消息传递与共享内存。

1.1  无连接协议与面向连接协议

所谓协议（protocol），就是一组规则，用来指定“控制信息”和“数据信息”如何在通信实体（譬如，在网络计算环境内部相互作用的应用程序进程）之间交换。协议一般分为无连接（connectionless）和面向连接（connection-oriented）两种。在这一设计空间，需要权衡的地方主要涉及延迟（latency）、可伸缩性（scalability）和可靠性（reliability）。

无连接协议提供的是“面向消息的（message-oriented）”服务。其中，每一条消息都可以独立寻址和发送。无连接协议一般采用“尽力（best-effort）”发送语义。这些语义不保证某组消息会以特定次序到达目的地，甚至根本不会到达目的地！

广泛使用无连接协议的例子有：用户数据报协议（UDP，User Datagram Protocol）和网际协议（IP，Internet Protocol）。这些协议可直接被多媒体应用程序（例如，IP语音或视频流^[MSK00]）使用，这些应用允许一定程度的数据丢失。UDP/IP还支持不可靠的多播（multicast）^[DC90]和广播（broadcast）功能，允许一个发送者和一组接收者进行通信。

面向连接协议提供的是可靠、有序、不重复的发送服务。对那些不允许数据丢失的应用程序来说，这种协议十分有用。为了提高性能并保证可靠性，“面向连接”协议在发送端和（或）接收端交换并维护状态信息。传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向连接协议，它被运用于很多“面向会话（session-oriented）”的Internet应用中，如Web服务和电子邮件。

当使用面向连接协议时，应用程序和中间件开发者还必须作出以下设计选择：

l  数据成帧策略（data framing strategies）。“面向连接”协议提供了不同种类的数据成帧策略。例如，“面向消息”发送策略为某些“面向连接”协议所支持，如TP4和XTP。相反，TCP是一种字节流（bytestream）协议，不保护应用程序消息的边界（boundaries）。因此，在TCP上，如果某一应用程序通过4个send()调用传输4条不同的消息，会有一个或多个（可能大于4个）TCP数据段（segment）被传输给接收端。所以，如果某一应用程序需要“面向消息”发送，发送端和接收端就必须执行额外的处理，以将4条“在TCP上交换”的消息分割成帧。如果消息的长度总相同，并且永远没有网络错误发生，成帧相对来说简单；否则，这会成为一个不小的问题。

l  连接多路复用策略（connection multiplexing strategies）。在“面向连接”协议上传输数据，有这样两个一般性的策略，参见图1.1的描述和下面的说明。

1.        多路复用（multiplexed）。一个进程中的多个线程发出的所有客户请求都通过一条TCP

图1.1  可选的连接多路复用策略

连接传递给一个服务器进程，如图1.1(1)所示。连接多路复用的一个优点是，节省OS的通信资源，如socket句柄和连接控制块。这个策略的缺点是，难以编程^[AOS+00]、缺乏效率^[CB01]、缺乏确定性^[SMFGG01]。这些问题源自“同步”机制和“环境切换”机制；在多路连接上，这些机制用来将“请求”和“应答”联系起来。

2.        非多路复用（nonmultiplexed）。每一个客户都使用不同的连接和对等服务程序通信，如图1.1(2)所示。“非多路复用连接”的主要优点是，可以更好地控制通信的优先级。在“非多路复用连接”设计中，每一个连接的优先级可以单独设定。这样一来，即使其他线程之间存在大量低优先级通信任务，高优先级通信也可以快速完成。这种设计避免了优先级倒置（priority inversion）现象——即低优先级线程占用一个单独的多路连接。此外，因为连接没被共享，这个策略的同步开销很小，因为发送和接收双向请求时不需要额外的锁定工作。和“多路复用连接”策略相比，“非多路复用”策略需要使用更多的OS资源，因而，在某些环境（譬如，大容量的Internet电子商务服务器）中，其伸缩性可能不是很好。

关于连接“多路复用”策略的设计及其利弊，请参阅^{[SMFGG01，SSRM00]}提供的其他资料。

日志服务程序 => 在网络日志服务程序的实现中，我们通过“面向连接”的TCP/IP协议将日志记录从客户应用程序传输给日志服务器。我们只建立一次连接，并在客户/服务器会话期

间保留它，从而使建立连接的开销得以缓解。连接采用的是“非多路复用”方式，每个日志客户程序分别打开一个“到日志服务器”的TCP连接。

选择了TCP，就需要在TCP字节流上实现“数据分帧”机制（副栏9就这一点作了演示）。但由于TCP的普及，这一工作不会白费，它会带来OS平台之间、数据链路层网络之间的互操作性和可移植性。此外，传输层（而非应用程序）负责流量（flow）控制和拥塞（congestion）控制，负责重新传输丢失的数据包，并保证数据以正确的顺序发送。对那些不能丢失日志记录的应用程序来说，这些能力很重要。