Java 实现 3:1 SONET 多路复用器模拟

背景

在 SONET 网络中，多个 STS-1 数据流的复用扮演着至关重要的角色，这些 STS-1 数据流被称为支流 (tributary)。一个 3:1 多路复用器将 3 个输入的 STS-1 支流复用到一个 STS-3 输出流中。复用过程按字节进行，也就是说，前 3 字节分别是支流 1、2 和 3 的第一字节，接下来 3 字节分别是支流 1、2 和 3 的第二字节，以此类推。

程序实现

本文将编写一个 Java 程序来模拟这样的 3:1 多路复用器。该程序将包含 5 个进程：

主进程: 创建 4 个子进程，其中 3 个进程分别对应 3 个 STS-1 支流，第 4 个进程对应多路复用器。
支流进程 (Tributary): 从一个输入文件中读取连续的 810 字节作为一个 STS-1 时隙，并将这些字节逐字节发送给多路复用器进程。
多路复用器进程 (MultiplexerProcess): 接收来自支流进程的字节，然后逐字节输出到标准输出设备上。

进程之间的通信将使用管道形式进行。

代码实现

import java.io.*;

public class Multiplexer {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建 3 个支流进程
            ProcessBuilder tributary1 = new ProcessBuilder("java", "Tributary", "input1.txt");
            ProcessBuilder tributary2 = new ProcessBuilder("java", "Tributary", "input2.txt");
            ProcessBuilder tributary3 = new ProcessBuilder("java", "Tributary", "input3.txt");

            // 创建多路复用器进程
            ProcessBuilder multiplexer = new ProcessBuilder("java", "MultiplexerProcess");

            // 建立管道连接
            tributary1.redirectOutput(ProcessBuilder.Redirect.PIPE);
            tributary2.redirectOutput(ProcessBuilder.Redirect.PIPE);
            tributary3.redirectOutput(ProcessBuilder.Redirect.PIPE);
            multiplexer.redirectInput(ProcessBuilder.Redirect.PIPE);

            // 启动进程
            Process tributary1Process = tributary1.start();
            Process tributary2Process = tributary2.start();
            Process tributary3Process = tributary3.start();
            Process multiplexerProcess = multiplexer.start();

            // 获取管道
            OutputStream tributary1Output = tributary1Process.getOutputStream();
            OutputStream tributary2Output = tributary2Process.getOutputStream();
            OutputStream tributary3Output = tributary3Process.getOutputStream();
            InputStream multiplexerInput = multiplexerProcess.getInputStream();

            // 向支流进程发送数据
            sendToStream(new FileInputStream("input1.txt"), tributary1Output);
            sendToStream(new FileInputStream("input2.txt"), tributary2Output);
            sendToStream(new FileInputStream("input3.txt"), tributary3Output);

            // 从多路复用器进程读取数据
            readFromStream(multiplexerInput);

            // 等待所有进程结束
            tributary1Process.waitFor();
            tributary2Process.waitFor();
            tributary3Process.waitFor();
            multiplexerProcess.waitFor();

        } catch (IOException | InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 将输入流中的数据逐字节发送到输出流
    public static void sendToStream(InputStream input, OutputStream output) throws IOException {
        byte[] buffer = new byte[1];
        int bytesRead;
        while ((bytesRead = input.read(buffer)) != -1) {
            output.write(buffer, 0, bytesRead);
            output.flush();
        }
        output.close();
        input.close();
    }

    // 从输入流中逐字节读取数据并输出到标准输出设备上
    public static void readFromStream(InputStream input) throws IOException {
        byte[] buffer = new byte[1];
        int bytesRead;
        while ((bytesRead = input.read(buffer)) != -1) {
            System.out.write(buffer, 0, bytesRead);
            System.out.flush();
        }
        input.close();
    }
}

// 支流进程，从指定文件中读取数据并发送到标准输出设备上
class Tributary {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            FileInputStream input = new FileInputStream(args[0]);
            Multiplexer.sendToStream(input, System.out);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

// 多路复用器进程，从管道中读取数据并输出到标准输出设备上
class MultiplexerProcess {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            InputStream input = System.in;
            byte[] buffer = new byte[3];
            int bytesRead;
            while ((bytesRead = input.read(buffer)) != -1) {
                for (int i = 0; i < bytesRead; i++) {
                    System.out.write(buffer[i]);
                    System.out.flush();
                }
            }
            input.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

程序说明

主进程 (Multiplexer):
- 创建 3 个支流进程 (Tributary) 和 1 个多路复用器进程 (MultiplexerProcess)。
- 使用 ProcessBuilder 类创建进程，并使用 redirectOutput 和 redirectInput 方法建立管道连接。
- 启动所有进程，获取管道输入输出流。
- 使用 sendToStream 方法向支流进程发送数据。
- 使用 readFromStream 方法从多路复用器进程读取数据。
- 等待所有进程结束。
支流进程 (Tributary):
- 从指定输入文件 (例如 input1.txt) 读取数据，并将数据逐字节发送到标准输出设备 (即管道)。
多路复用器进程 (MultiplexerProcess):
- 从管道中读取数据，并将数据逐字节输出到标准输出设备 (例如控制台)。

运行程序

将上述代码保存为 Multiplexer.java, Tributary.java 和 MultiplexerProcess.java。
在三个不同的文件中分别准备输入数据 (例如 input1.txt, input2.txt, input3.txt)。
编译并运行 Multiplexer.java。

注意：

在运行程序之前，请确保已经创建了输入文件 (input1.txt, input2.txt, input3.txt)，并且每个文件包含 810 字节的连续数据。
输出将被打印到控制台上，您可以将输出重定向到文件以进行保存。

结论

本文成功地使用 Java 语言模拟了 3:1 多路复用器，并使用进程通信实现了数据流的传输。该程序展示了 Java 在处理网络通信方面的强大功能。