简单Web服务器设计与实现.docx

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简单Web服务器设计与实现

简单Ｗeｂ服务器设计与实现

摘要　WWＷ的工作基于客户机/服务器计算模型，由Wｅb浏览器（客户机）和Ｗeb服务器（服务器）构成，两者之间采用超文本传送协议（HＴTP）进行通信，HTTP协议的作用原理包括四个步骤：

连接，请求,应答，关闭应答。

在课程设计中，系统开发平台为Wｉn７，程序设计语言采用Javａ,程序运行平台为Ｅcｌipse。

在程序设计中,采用了结构化与面向对象两种解决问题的方法。

程序通过调试运行，初步实现了设计目标，并且经过适当完善后,将可以应用在商业中解决实际问题。

关键词　计算模型；Jａva；HTTP;Web服务器

1　前言

Ｉnternet是目前世界上最大的计算机互联网络，与大家的生活、学习、工作有着越来越密切的关系，它遍布全球，将世界各地各种规模的网络连接成一个整体,其用户群十分庞大，因此,建设一个好的Web站点对于一个机构的发展十分重要。

近年来,随着网络用户要求的不断提高及计算机科学的迅速发展，特别是数据库技术在Ｉntｅrｎet中的广泛应用，Web站点向用户提供的服务将越来越丰富，越来越人性化。

本课程设计主要解决由Web　浏览器（客户机）和Ｗeｂ服务器（服务器）构成，两者之间采用超文本传送协议（HTTP）进行通信的Ｗｅb服务器的程序设计。

1.1课程设计前准备

以下的工作均是建立在大量的调查基础上的，是Web服务器开发前期准备工作所解决的问题。

（1）Jａva简介

Javａ是由ｓｕn公司开发的一种新型的面向对象的程序设计语言,主要用于web页面的设计[1]。

Ｊava语言的流行除了因为它能够编制嵌入HＴＭL文件中的Aｐplet外，还在于Jaｖａ语言本身的面向对象、简单、平台无关性、安全性、多线程等特点。

Ｊava语言的发展颇具传奇性，它与Ｉnternet的WＷW的迅猛发展是分不开的。

由于其发展迅速，有人将它比喻为Internｅt上的世界语。

前面讲到在Internｅｔ上Ｗeb页面的设计采用的是HTML语言，用户借助于Weｂ浏览器（如Neｔscapｅ，HｏｔＪａva，ＩE等），可以访问到远程web服务器上静态的、具有超链接的Web页面[2]。

（２）HＴＴＰ协议简介

HＴTP协议是应用层的协议,定义了服务器端和客户端之间文件传输的沟通方式。

HTTP协议用于从WWW服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。

由于HTＴＰ协议支持的服务不限于WWＷ，还可以是其它服务，它允许用户在统一的界面下,采用不同的协议访问不同的服务。

它可以使浏览器更加高效,使网络传输减少。

它不仅保证计算机正确快速地传输超文本文档，还确定传输文档中的哪一部分,以及哪部分内容首先显示等[3］。

１．2　课程设计的内容

（1）熟悉WWW服务器和WEB服务器的工作原理;

（2）熟悉套接字编程的相关知识；

（3）完成一个简单的WEB服务器的设计与实现，要求能够通过ＨTTＰGEＴ命令获得一个简单的HTMＬ文件;

（4）运行该服务器，并编写一个简单的ＨTML文件完成测试。

1.3　课程设计要求

（1）按要求编写课程设计报告书，能正确阐述设计结果。

（2）通过课程设计培养学生严谨的科学态度,认真的工作作风和团队协作。

（3）学会文献检索的基本方法和综合运用文献的能力。

（４）在老师的指导下，要求每个学生独立完成课程设计的全部内容。

１.４课程设计平台

Ｗindoｗs7系统；Ecliｐsｅ软件平台

2　Web服务器的工作原理

2．1ＨTＴＰ协议的作用原理

WＷW是以Iｎterneｔ作为传输媒介的一个应用系统，WWW网上最基本的传输单位是Web网页。

WWW的工作基于客户机/服务器计算模型,由Web浏览器（客户机）和Ｗeb服务器（服务器）构成，两者之间采用超文本传送协议（ＨＴＴP）进行通信。

ＨTTP协议是基于TCＰ/IP协议之上的协议，是Weｂ浏览器和Weｂ服务器之间的应用层协议,是通用的、无状态的、面向对象的协议。

HTＴＰ协议的作用原理包括四个步骤：

连接,请求,应答,关闭应答。

wsHTTＰ协议的作用原理包括四个步骤：

（１）连接：

Web浏览器与Weｂ服务器建立连接,打开一个称为sockｅｔ（套接字）的虚拟文件，此文件的建立标志着连接建立成功。

（2）请求:

Ｗeb浏览器通过sｏckeｔ向Ｗｅb服务器提交请求。

ＨTTP的请求一般是GＥT或POＳT命令（POST用于FORＭ参数的传递）。

GET命令的格式为：

GEＴ路径/文件名　ＨTTP/１．0　文件名指出所访问的文件,HＴＴP/1.0指出Ｗeb浏览器使用的HTTP版本。

（3）应答：

Weｂ浏览器提交请求后,通过ＨTTP协议传送给Web服务器。

Web服务器接到后，进行事务处理，处理结果又通过ＨTTＰ传回给Weｂ浏览器,从而在Web浏览器上显示出所请求的页面。

例：

假设客户机与ｗww.mycompanｙ.com:

8080/mydｉｒ/indｅｘ．html建立了连接,就会发送ＧEＴ命令:

GEＴ／ｍｙdir/index.ｈｔｍlＨＴTP/１．０。

主机名为hｔｔｐ:

//www.ｍｙcoｍpaｎｙ.coｍ/的Ｗｅｂ服务器从它的文档空间中搜索子目录myｄiｒ的文件ｉndex.htmｌ。

如果找到该文件，Web服务器把该文件内容传送给相应的Ｗeb浏览器。

为了告知　Ｗeｂ浏览器传送内容的类型，Weｂ服务器首先传送一些ＨＴTＰ头信息,然后传送具体内容（即HTTP体信息）,HTTP头信息和HTＴP体信息之间用一个空行分开。

（4）关闭连接:

当应答结束后，Wｅb浏览器与Web服务器必须断开,以保证其它Web浏览器能够与Ｗｅb服务器建立连接。

２.2Ｊaｖa开发语言相关知识与技术

Java主要技术有:

多线程,I/O流操作，网络编程。

2.2．1java中的多线程及实现:

Jａva是面向对象的程序语言,用Java进行程序设计就是设计和使用类，Jａva为我们提供了线程类Thread来创建线程,创建线程与创建普通的类的对象的操作是一样的,而线程就是Thｒeａｄ类或其子类的实例对象。

下面是一个创建启动一个线程的语句:

Tｈreaｄ　thrｅad１=ｎewThread（）;file:

/／声明一个对象实例,即创建一个线程；　

Tｈread1.ｒun（）;ｆile:

//用Thrｅaｄ类中的ｒun（）方法启动线程;

从这个例子,我们可以通过Thｒｅaｄ（）构造方法创建一个线程，并启动该线程。

事实上,启动线程,也就是启动线程的ｒun（）方法,而Thrｅａd类中的run（）方法没有任何操作语句，所以这个线程没有任何操作。

要使线程实现预定功能，必须定义自己的rｕn（）方法。

Ｊava中通常有两种方式定义run（）方法：

通过定义一个Threａd类的子类,在该子类中重写ｒun（）方法。

Tｈｒeａd子类的实例对象就是一个线程,显然,该线程有我们自己设计的线程体run（）方法，启动线程就启动了子类中重写的run（）方法。

通过Runnaｂｌe接口，在该接口中定义run（）方法的接口。

所谓接口跟类非常类似,主要用来实现特殊功能，如复杂关系的多重继承功能。

线程被实际创建后处于待命状态,激活（启动）线程就是启动线程的ｒun（）方法，这是通过调用线程的start（）方法来实现的。

线程状态：

1）Neｗ

当线程对象被创建时，处于该状态。

　2）Runnａble:

就绪状态,线程满足运行的所有条件但没有正在运行的线程位于该状态，有以下几种情况:

　a.处于Ｎew状态的线程执行sｔart（）。

　b.处于Rｕnniｎｇ状态的线程失去ＣPU。

　c.处于ＯthｅｒwiseＢlock状态的线程阻塞解除。

　d．处于Loｃk　Blｏｃｋ状态的线程阻塞解除。

3）Ruｎning:

运行状态

处于运行状态的线程可能发生以下几种情况：

　a.线程运行结束，进入Dead状态。

ｂ.CＰU被分配给其它线程，进入Rｕｎnabｌe状态。

c.满足OｔherwiｓeBｌock的条件,进入OtherｗiseBlock状态。

ｄ.由于锁的原因无法执行，进入LockBloｃk状态。

e．由于等待的原因无法执行，进入Ｗaiｔ　Block状态。

４）Dead：

死亡状态

线程运行结束,对于主线程mａin（）结束，对于普通用户线程ｒun（）结束。

5）Otherｗisｅ　Blｏｃｋ：

阻塞状态,阻塞解除后进入Runnablｅ状态

　ａ.调用sleｅp（），阻塞解除条件为阻塞时间满。

ｂ.调用ｊｏin（），阻塞解除条件为调用joｉn（）的线程执行结束。

注意:

线程进入该状态不会释放锁。

　6）LoｃｋBlｏck：

锁阻塞状态，阻塞解除后进入Ruｎnable状态

由于无法获得需要的锁而阻塞地线程进入该状态，阻塞解除条件为获得所需的锁。

7）WaｉtBloｃｋ：

等待阻塞状态,阻塞解除后进入LockBlｏck状态

由于某个资源的原因必须进行等待，则进入该状态。

阻塞解除条件为其它线程调用该资源的notiｆｙ（）或ｎｏtifyＡll（）。

下面一个例子实践了如何通过上述两种方法创建线程并启动它们:

　/／通过Ｔhread类的子类创建的线程;　

　　cｌａsｓthread1ｅxtenｄsTｈｒead　

{file:

//自定义线程的rｕn（）方法；

　pｕｂｌicvoidrun（）　

　　{

　　Sｙstem.ｏut．ｐｒintln（"Ｔhread1　ｉs　runｎiｎｇ…＂）;

　　｝

　　　}

　　fｉlｅ：

//通过Ｒｕnnaｂlｅ接口创建的另外一个线程;

　claｓsthｒead２imｐlemｅnｔｓRuｎnaｂle

　{file:

//自定义线程的ｒun（）方法;

　　　pｕblic　ｖoｉdrun（）

　｛　

　　Ｓyｓtem．out.printｌn（＂Thread２ｉsrｕnninｇ…"）;

　　　｝

　}

　　fｉｌe:

／/程序的主类＇　

classMulti_Threadｆiｌe:

//声明主类；

　{

　　pｌuｂic　sｔatiｃvｏidｍaｉl（Strｉngａｒｇs[]）fｉｌｅ:

//声明主方法；

　{

　　　thrｅaｄ１　threadｏnｅ=new　thrｅaｄ1（）;file:

／/用Ｔhrｅａd类的子类创建线程；

　　　　　Threadthreａdtwo=ｎew　Ｔhread（nｅwｔhreaｄ2（））;ｆile:

//用Runnａｂle接口类的对象创建线程;

　　　　　tｈreadonｅ．sｔarｔ（）;threadｔwo.ｓtarｔ（）;ｆile:

//strat（）方法启动线程；

　　　　｝

　｝　

运行该程序就可以看出,线程threadone和ｔhｒeadtwo交替占用CＰU,处于并行运行状态。

可以看出，启动线程的rｕｎ（）方法是通过调用线程的sｔaｒt（）方法来实现的（见上例中主类），调用ｓtart（）方法启动线程的ｒuｎ（）方法不同于一般的调用方法,调用一般方法时，必须等到一般方法执行完毕才能够返回start（）方法,而启动线程的ruｎ（）方法后，stａrt（）告诉系统该线程准备就绪可以启动run（）方法后,就返回start（）方法执行调用ｓtart（）方法语句下面的语句,这时run（）方法可能还在运行,这样,线程的启动和运行并行进行,实现了多任务操作。

２.2.2Ｉ／Ｏ字节流操作

1）Jaｖa中使用流的方式处理数据,基本的处理类为InpuｔStrｅam（字节读入流）和OutpuｔSｔreａｍ（字节输出流）。

2）可以使用各种过滤流对流数据进行过滤，实现各种附加功能。

3）对字节流进行转换和包装可以获得字符流，字符流的基本处理流为Ｒeａｄｅｒ（字符读入流）和Wriｔer（字符输出流）。

ａ.字节流：

InputSｔreａｍ:

iｎtｒead（）读入流中的一个字节并返回,数据存放在int的低8位中；int　read（bｙtｅ［］）读入流中的若干个字节，存放在byｔe[］中，返回读入字节的数量;intread（bｙte[］,int,ｉnt）读入流中的若干个字节,存放在bｙte[]中从第一个iｎt参数开始（索引）,最大长度为第二个int参数的区间内。

OuｔｐutStreａｍ:

flush（）将输出缓冲区中的信息写到真正的输出设备。

调用方法：

①输出缓冲区满：

自动调用；

②　调用cｌｏse（）时先调用ｆｌusｈ（）:

自动调用;

③手动调用fluｓh（）

最常见的情况是产生异常时，虽然在fiｎaｌｌｙ中会对流执行cｌosｅ（）,但在异常条件下，ｃlｏｓe（）能保证对流的关闭，但在调用ｆlush（）时会有漏洞。

b．字符流：

优点:

操作文本数据时比较直观，读入和写出都以char为基本单位。

缺点:

底层依然以字节流方式操作，所以在任何情况下都必须有转换的过程,效率相对较低。

操作二进制数据时会存在编码问题，一般不使用字符流操作二进制数据。

InputＳtｒeａmReadeｒ：

将字节读入流转为字符读入流。

InputSｔreａmReader（IｎｐuｔSｔream）:

使用默认字符集（取决的JVM）将IｎpｕstSｔrｅam转为InputStｒeａmＲeaｄｅr。

ＩnputＳtrｅaｍRｅａｄer（ＩnｐutStｒeam，Strinｇ）:

使用Sｔriｎg指定的字符集将InpuｔＳｔreaｍ转为ＩｎｐutStreamReader。

OutputStreamWrｉｔｅr:

将字符输出流转为字节输出流。

OｕtputＳtｒeamWriter（ＯuｔpｕｔStream）:

使用默认字符集（取决于JVM）将OuｔpuｔSｔreamWｒiter转为OutpuｔStreａm。

OutputStrｅamWriteｒ（OutｐutＳtrｅaｍ,Ｓtrｉng）:

使用Ｓtｒｉｎg指定的字符集将OuｔputStrｅａmWriter转为OutpｕｔStreａｍ。

BuffeｒedReａdｅr：

提供缓冲；ｒeaｄLｉne（）。

ＢufｆereｄWritｅr：

提供缓冲。

PｒiｎtＷｒｉteｒ：

提供缓冲；ｐrｉｎt（）、prｉntln（）等方法。

注意：

在开发中，一般使用ＢufｆeｒedReadｅr和PrｉnｔＷriteｒ结合使用完成对字符流的过滤。

2.2．3网络架构:

1）C／S网络架构

客户端／服务器架构,通常情况下，数据存储在服务器端，客户端和服务器端都有一个独立的应用程序,可以进行独立的操作,通过网络进行数据传输。

常用的传输协议包括:

ＴCP／ＩP:

基于连接的协议

优点：

由于是有连接的传输，对于数据的准确性是有保证的。

缺点：

系统资源占用较多。

UＤP/ＩP：

无连接的协议（数据报）

优点:

系统资源占用少。

缺点:

无法保证传输的准确性。

用途:

a.对于数据少量丢失可以接受的应用。

ｂ．存在足够数据冗余的应用。

２）Ｂ／S网络架构

浏览器/服务器架构，在服务器端完成几乎所有的功能（包括数据存储）,客户端的浏览器只完成和服务器交互和显示服务器传输的信息的功能。

常用的传输协议包括:

http：

超文本传输协议。

httｐs：

支持多种加密操作的超文本传输协议。

优点:

客户端不需要安装任何附加软件，同时整个应用的升级也相对简单。

IP：

通过IP　Addｒess和Pｏｒｔ（端口）定位具体的应用;Pｏrt的有效范围是０～65535，通常在开发应用时应避免使用１00０以下的端口,1000以下有很多端口被常用应用占用。

IPAｄdreｓs在ＪDＫ５.0中支持4位或6位两种方式，现在4位的占据主导地位，但将来会逐渐过渡到6位IP地址的模式。

TＣP/IP协议的实现:

a.SｅrveｒＳoｃｋeｔ类:

服务器端使用,用于监听客户端的请求。

b.Sockｅｔ类：

服务器端和客户端使用，用于完成具体通信的所有功能。

UＤP／IP协议的实现:

a.DatagｒamSocket类：

服务器端和客户端使用,用于实现通信的基本功能。

b.DａtagramＰackeｔ类：

服务器端和客户端使用，用于封装通信的内容信息。

３开发环境及套字接编程

3.1Web服务器的开发环境

　该课程设计是基于Javａ编程语言的设计的Ｗeb服务器，开发环境是Eｃｌipsｅ软件和JａvaＳｗing。

（1）Eclipse简介

Eclｉpse　是一个开放源代码的、基于　Jａva的可扩展开发平台。

就其本身而言,它只是一个框架和一组服务,用于通过插件和组件构建开发环境。

Ｅclipse附带了一个标准的插件集，包括Jａva开发工具。

Ecｌｉｐsｅ采用的技术是ＩＢM公司开发的（SWT），这是一种基于Ｊaｖa的窗口组件，类似Java本身提供的ＡWT和Sｗiｎｇ窗口组件，Eclipse的插件机制是轻型软件组件化架构。

在富客户机平台上，Eｃlipｓe使用插件来提供所有的附加功能［４]。

（2）ＪａｖaＳwｉng概述

Swiｎg是不对等基于ＧＵI工具箱的正式名字，它是Jaｖa基础类库的一部分。

完整的JＦC十分庞大,其中包含的内容远远大于SwingGUI工具箱。

ＪFC特性不仅仅包含了Sｗing组件,而且还包含了一个可访问的API、一个２ＤAPI和一个可拖拽的API。

Swｉｎg拥有一个丰富、便捷的用户界面元素集合，对底层平台依赖的很少,因此与平台相关的bug很少。

Sｗiｎg给予不同平台的用户一致的感官效果［5]。

3.2Ｗｅb服务器的套接字编程

Javａ提供了一个ＳerverSocｋeｔ类,程序员可以很方便地用它编写服务器程序。

服务器套接字的基本功能类似于坐在电话机旁边等待呼叫到来。

从技术上讲，SｅrveｒSoｃkｅｔ运行在服务器上并监听到来的TCP连接。

　每个ServerＳocket都在服务器上的指定端口监听。

当远程主机上的客户Soｃket试图与指定端口建立连接时,服务器被激活，判定客户程序与服务器的连接，并打开两个主机之间固有的Ｓoｃket。

一旦与服务器套接字建立了连接,则服务器就可以使用固有的Ｓockeｔ对象向客户机发送数据。

数据总是通过固有的套接字传递。

３．2.1SｅrvｅｒSockeｔ类

ＳｅrverSｏｃkｅt类包含了用Java编写服务器程序的所有内容。

它包括创建新SｅrverSocket对象的构造器、在指定端口监听连接的方法，以及连接建立后可以发送和接收数据时返回Socｋｅｔ对象的方法。

此外，它还有设置不同选项以及各种各样常用的方法，例如　tｏＳtｒing（）方法。

服务器的基本生命期是：

1．　利用ＳerverSockｅt（）构造器在指定端口创建一个新的SerｖerSockｅｔ；

２．　SerｖerSockｅｔ利用它的aｃcept（）方法在指定端口监听到来的连接。

acceｐｔ（）方法一直处于阻塞状态,直到有客户机试图建立连接。

这时accｅpｔ（）方法返回连接客户机何服务器的Sｏcket；

３.调用ｇetIｎputStream（）方法、getＯutputＳｔｒｅam（）方法或者两者都调用来得到与客户机通信的输入流和输出流,具体调用哪一个方法还是两者都调用与具体服务器的类型有关；

4.服务器和客户机根据双方都承认的协议进行交互,直到关闭连接时为止;

5.服务器、客户机或两者均关闭连接；

6．　服务器返回步骤２，等待下一个连接到来。

如果在4步花费的时间很长或时间无限期,则ｗu-ftｐd这样的传统Unix服务器会创建一个新的进程来处理每个连接,从而使服务器在同一时刻可以为多个客户机提供服务。

3.2.2构造器

　一共有３个公共ServerＳocｋet构造器：

publicSeｒvｅrSocｋet（intpｏrt）　tｈｒowｓIOExcｅｐtion，BindEｘcepｔiｏn

pubｌicServerＳockeｔ（iｎtport,　iｎtqueｕeLｅｎｇtｈ）

throｗｓ　IOExｃｅpｔion,ＢindException

　publｉcSeｒｖerＳocket（int　pｏrt,int　queuｅＬengtｈ,InetAｄｄressbiｎdadｄrｅss）

thrｏwsIＯEｘceｐtiｏn

这些构造器允许用户指定端口、用于保存到来的连接请求队列的长度以及绑定本地网络的接口。

它们的基本功能完全相同，但其中有一些使用默认的队列长度值和默认的绑定地址。

4WEＢ服务器的设计与实现

4．1Wｅb服务器的程序设计流程

根据上述HＴＴP协议的作用原理，实现ＧET请求的Ｗeｂ服务器程序的方法如下：

（1）创建ＳervｅrSoｃkｅt类对象，监听端口808０。

这是为了区别于HＴTＰ的标准TCＰ/IP端口８0而取的;

（2）等待、接受客户机连接到端口8０８0,得到与客户机连接的socket;

（3）创建与sockｅt字相关联的输入流iｎstream和输出流outstreａm;

（4）从与ｓocket关联的输入流iｎsｔreａm中读取一行客户机提交的请求信息，请求信息的格式为:

ＧET　路径/文件名HＴTP/1．0

（5）从请求信息中获取请求类型。

如果请求类型是GET，则从请求信息中获取所访问的ＨTMＬ文件名。

没有HTML文件名时,则以index.html作为文件名；

（6）　如果HTMＬ文件存在，则打开HTML文件，把ＨＴTP头信息和HTML文件内容通过socket传回给Web浏览器，然后关闭文件。

否则发送错误信息给Web浏览器；

（7）关闭与相应Ｗeb浏览器连接的sockeｔ字。

可以总结出Weｂ服务器的设计流程并作出其设计流程图,如图4-1所示。

图４-１Ｗeb服务器的程序设计流程

4．2用Java实现Ｗeｂ服务器的主要设计步骤及程序

1.点击开始,打开ｅｃlipse软件，在左框内建立Jａva工程,在工程中分别建立相应的包和类,如图3-2所示。

图4-2在工程中分别建立相应的包和类

2．设计主函数程序

在Java工程中建立包main和类WebＳerｖerMain,在对应框中输入以下程序:

pａckaｇｅcom.web.maiｎ;

ﻩ

impｏrtcｏｍ.web.gui.WebＳerverFｒａｍｅ;

pubｌicclassＷebServerMaｉn{／／接口的实现

public　static　voiｄmaｉｎ（Ｓtｒinｇ[]　argｓ）{

ｎewWｅbSｅrｖerFraｍe（）;

｝

}

3.设计Wｅb服务器的图形界面

在Jaｖａ工程中建立包guｉ和类WebSeｒｖerFｒａｍｅ，在对应框中输入以下程序：

paｃkagｅcｏm.wｅb.ｇui；

impｏrtｊａvａ.awt．*；

imｐortjavａ．awt.ｅｖent.*;

impoｒtjavaｘ.ｓwｉnｇ.*;

importcｏm.weｂ.ｎet.WeｂＳｅrverＮｅt;

ｐubｌiｃclaｓｓＷebSｅrverFｒame　exteｎdsＪFrameimpｌemeｎtsActionLiｓteｎer{

ﻩprivateJMｅnuBarmeｎuBar=neｗWebServerJMenuBar（tｈis）;

/／按钮面板

Prｉvaｔｅ　JPaneｌｂtnPａn=newJＰａneｌ（new　ＦlowLaｙoｕt（FlowLaｙout.CＥNＴＥR））；