基于Linux操作系統(tǒng)下的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用

 Linux 是一種自由的Unix類多用戶，多任務(wù)的操作系統(tǒng)，可在運(yùn)行在Intel 80386及更高檔次的PC機(jī)、ARMS、MIPS和PowerPC等多種計(jì)算機(jī)平臺(tái)，已成為應(yīng)用廣泛、可靠性高、功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，Linux 具有內(nèi)核小、效率高、源代碼開放等優(yōu)點(diǎn)，還內(nèi)含了TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，很適合在服務(wù)器領(lǐng)域使用，而服務(wù)器主要用途之一就是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，隨著計(jì)算機(jī)辦公自動(dòng)化處理技術(shù)的應(yīng)用與推廣，網(wǎng)絡(luò)的不斷普及，傳統(tǒng)的紙張式文件傳輸方式已經(jīng)不再適合發(fā)展的需要，人們更期待一種便捷、高效、環(huán)保、安全的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。

本文就是考慮到這一現(xiàn)狀，結(jié)合基于Linux操作系統(tǒng)下的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信原理，給出了一種基于TCP/IP編程實(shí)現(xiàn)文件傳輸?shù)膶?shí)例，因此，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信研究具有十分重要的意義。

2 TCP/IP協(xié)議概述

TCP/IP即傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[1](Transmission Control Protocol/Internet Protocol)，是一個(gè)由多種協(xié)議組成的協(xié)議族，他定義了計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互相通信及協(xié)議族各層次之間通信的規(guī)范，圖1描述了Linux對(duì)IP協(xié)議族的實(shí)現(xiàn)機(jī)制[2]。

Linux支持BSD的套接字和全部的TCP/IP協(xié)議，是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將其視為一組相連的軟件層來(lái)實(shí)現(xiàn)的，BSD套接字(BSD Socket)由通用的套接字管理軟件支持，該軟件是INET套接字層，用來(lái)管理基于IP的TCP與UDP端口到端口的互聯(lián)問(wèn)題，從協(xié)議分層來(lái)看，IP是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，TCP是一個(gè)可靠的端口到端口的傳輸層協(xié)議，他是利用IP層進(jìn)行傳接報(bào)文的，同時(shí)也是面向連接的，通過(guò)建立一條虛擬電路在不同的網(wǎng)路間傳輸報(bào)文，保證所傳輸報(bào)文的無(wú)丟失性和無(wú)重復(fù)性。用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議(User Datagram Protocol，UDP)也是利用IP層傳輸報(bào)文，但他是一個(gè)非面向連接的傳輸層協(xié)議，利用IP層傳輸報(bào)文時(shí)，當(dāng)目的方網(wǎng)際協(xié)議層收到IP報(bào)文后，必須識(shí)別出該報(bào)文所使用的上層協(xié)議(即傳輸層協(xié)議)，因此，在IP報(bào)頭上中，設(shè)有一個(gè)"協(xié)議"域(Protocol)。通過(guò)該域的值，即可判明其上層協(xié)議類型，傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層在功能說(shuō)的最大區(qū)別是前者提供進(jìn)程通信能力，而后者則不能，在進(jìn)程通信的意義上，網(wǎng)絡(luò)通信的最終地址不僅僅是主機(jī)地址，還包括可以描述進(jìn)程的某種標(biāo)識(shí)符，為此，TCP/UDP提出了協(xié)議端口(Protocol Port)的概念，用于標(biāo)識(shí)通信的進(jìn)程，例如，Web服務(wù)器進(jìn)程通常使用端口80，在/etc/services文件中有這些注冊(cè)了的端口地址。

對(duì)于TCP傳輸，傳輸節(jié)點(diǎn)間先要建立連接，然后通過(guò)該連接傳輸已排好序的報(bào)文，以保證傳輸?shù)恼_性，IP層中的代碼用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)際協(xié)議，這些代碼將 IP頭增加到傳輸數(shù)據(jù)中，同時(shí)也把收到的IP報(bào)文正確的傳送到TCP層或UDP層。TCP是一個(gè)面向連接協(xié)議，而UDP則是一個(gè)非面向連接協(xié)議，當(dāng)一個(gè) UDP報(bào)文發(fā)送出去后，Linux并不知道也不去關(guān)心他是否成功地到達(dá)了目的的主機(jī)，IP層之下，是支持所有Linux網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層，例如點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議(Point to Point Protocol，PPP)和以太網(wǎng)層。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并非總代表物理設(shè)備，其中有一些(例如回送設(shè)備)則是純粹的軟件設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)的Linux設(shè)備不同，他們不是通過(guò)Mknod命令創(chuàng)建的，必須是底層軟件找到并進(jìn)行了初始化之后，這些設(shè)備才被創(chuàng)建并可用。因此只有當(dāng)啟動(dòng)了正確設(shè)置的以太網(wǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的內(nèi)核后，才會(huì)有/dev/eth0文件，ARP協(xié)議位于IP層和支持地址解析的協(xié)議層之間。

3 網(wǎng)絡(luò)通信原理

所有的網(wǎng)絡(luò)通信就其實(shí)現(xiàn)技術(shù)可以分為兩種，線路交換和包交換，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一般采用包交換，TCP使用了包交換通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，全部都以包(Packet)這個(gè)單位來(lái)發(fā)送，包由"報(bào)頭"和"報(bào)文"組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示，在"報(bào)頭"中記載有發(fā)送主機(jī)地址，接收主機(jī)地址及與報(bào)文內(nèi)容相關(guān)的信息等，在"報(bào)文"中記載有需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)主機(jī)和路由器中都有一個(gè)路由尋址表，根據(jù)這個(gè)路由表，包就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到相應(yīng)的目的主機(jī)。

網(wǎng)絡(luò)通信中的一個(gè)非常重要的概念就是套接字(Socket)[3，4]，簡(jiǎn)單地說(shuō)，套接字就是網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程的ID，網(wǎng)絡(luò)通信歸根到底是進(jìn)程的通信，在網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址(即IP地址)，兩個(gè)進(jìn)程通信時(shí)，首先要確定各自所在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，但是，網(wǎng)絡(luò)地址只能確定進(jìn)程所在的計(jì)算機(jī)，而一臺(tái)計(jì)算機(jī)上可能同時(shí)有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程，還不能確定到底是其中的哪個(gè)進(jìn)程，由此套接字中還要有其他的信息，那就是端口號(hào)(Port)，在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中，一個(gè)端口一次只能分配給一個(gè)進(jìn)程，即端口號(hào)與進(jìn)程是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所以，端口號(hào)和網(wǎng)絡(luò)地址就能唯一地確定Internet中的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程?？梢哉J(rèn)為：套接字= 網(wǎng)絡(luò)地址+端口號(hào)

系統(tǒng)調(diào)用一個(gè)Socket()得到一個(gè)套接字描述符，然后就可以通過(guò)他進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信了。

套接字有很多種類，最常用的就有兩種;流式套接字和數(shù)據(jù)報(bào)套接字。在Linux中分別稱之為"SOCK_STREAM"和"SOCK_DGRAM)"他們分別使用不同的協(xié)議，流式套接字使用TCP協(xié)議，數(shù)據(jù)報(bào)套接字使用UDP協(xié)議，本文所使用的是流式套接字協(xié)議。

4 網(wǎng)絡(luò)通信原理在文件傳輸程序設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)上的絕大多數(shù)通信采用的都是客戶機(jī)/服務(wù)器機(jī)制(Client/Server)，即服務(wù)器提供服務(wù)，客戶是這些服務(wù)的使用者，服務(wù)器首先創(chuàng)建一個(gè)Socket，然后將該Socket與本地地址/端口號(hào)綁定(Bind())，成功之后就在相應(yīng)的Socket上監(jiān)聽(Listen()) 。當(dāng)Accept()函數(shù)捕捉到一個(gè)連接服務(wù)(Connect())請(qǐng)求時(shí)，接受并生成一個(gè)新的Socket,并通過(guò)這個(gè)新的Socket與客戶端通信，客戶端同樣也要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Socket，將該Socket與本地地址/端口號(hào)綁定，還需要指定服務(wù)器端的地址與端口號(hào)，隨后向服務(wù)器端發(fā)出 Connect()，請(qǐng)求被服務(wù)器端接受后，可以通過(guò)Socket與服務(wù)器端通信。

TCP是一種面向連接的、可靠的、雙向的通信數(shù)據(jù)流，說(shuō)他可靠，是因?yàn)樗褂?段握手協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，并且在傳輸時(shí)采用"重傳肯定確認(rèn)"機(jī)制保證數(shù)據(jù)的正確發(fā)送：接收端收到的數(shù)據(jù)后要發(fā)出一個(gè)肯定確認(rèn)，而發(fā)送端必須要能接受到這個(gè)肯定信號(hào)，否則就要將數(shù)據(jù)重發(fā)。在此原理基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了基于Linux 操作系統(tǒng)下TCP/IP編程實(shí)現(xiàn)文件傳輸?shù)膶?shí)例。我們采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式通信時(shí)，通信雙方發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的工作流程如圖3所示。

文件傳輸就是基于客戶機(jī)/服務(wù)器模型而設(shè)計(jì)的，客戶機(jī)和服務(wù)器之間利用TCP建立連續(xù)，因文件傳輸是一個(gè)交互式會(huì)話系統(tǒng)，客戶機(jī)每次執(zhí)行文件傳輸，都需要與服務(wù)器建立控制連接和數(shù)據(jù)連接，其中控制連接負(fù)責(zé)傳輸控制信息、利用控制命令、客戶機(jī)可以向服務(wù)器提出無(wú)限次的請(qǐng)求，客戶機(jī)每次提出的請(qǐng)求，服務(wù)器與客戶機(jī)建立一個(gè)數(shù)據(jù)連接，進(jìn)行實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸完畢后，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)連接被清除，控制連接依然保持，等待客戶機(jī)發(fā)出新的傳輸請(qǐng)求，直到客戶機(jī)撤銷控制連接，結(jié)束會(huì)話。

當(dāng)進(jìn)行文件傳輸時(shí)，首先向服務(wù)器發(fā)出連接請(qǐng)求，服務(wù)器驗(yàn)證身份后，與客戶端建立連接，雙方進(jìn)入會(huì)話狀態(tài)，這時(shí)只要客戶端向服務(wù)器端發(fā)出數(shù)據(jù)連接請(qǐng)求，建立起數(shù)據(jù)連接后，雙方就進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳輸完畢后，數(shù)據(jù)連接被撤銷，如此循環(huán)反復(fù)，直到會(huì)話結(jié)束，從而實(shí)現(xiàn)將文件從服務(wù)器端傳輸至客戶機(jī)端。

5 文件傳輸程序設(shè)計(jì)流程[5，6]

5.1 客戶端的TCP應(yīng)用程序流程

(1)先用Socket()創(chuàng)建本地套接口，給服務(wù)器端套接口地址結(jié)構(gòu)賦值。

(2)用Connect()函數(shù)使本地套接口向服務(wù)器端套接口發(fā)出建立連接請(qǐng)求，經(jīng)3次握手建立TCP連接。

(3)用Read()函數(shù)讀取所要接收的文件名以及存放在內(nèi)存里的文件內(nèi)容。

(4)用Open()函數(shù)打開客戶端新建立的目標(biāo)文件，如果沒(méi)有建立，該函數(shù)會(huì)自動(dòng)生成目標(biāo)文件，等待存放文件內(nèi)容。

(5)最后用Write()函數(shù)將讀取的文件內(nèi)容存放在新的目標(biāo)文件中，以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端向客戶端的文件傳輸。

(6)通信結(jié)束，用Close()關(guān)閉套接口，停止接收文件。

5.2 服務(wù)器端的TCP應(yīng)用程序流程

(1)先用Open()函數(shù)打開等待傳輸?shù)目勺x文件;

(2)用Socket()創(chuàng)建套接口，并給套接口地址結(jié)構(gòu)賦值;

(3)用Bind()函數(shù)綁定套接口;

(4)用Listen()函數(shù)在該套接口上監(jiān)聽請(qǐng)求;

(5)用Accept()函數(shù)接受請(qǐng)求，產(chǎn)生新的套接口及描述字，并與客戶端連接;

(6)用Lseek()函數(shù)是為了在每次接受客戶機(jī)連接時(shí)，將用于讀的源文件指針移到文件頭;

(7)用Read()函數(shù)讀取一定長(zhǎng)度的源文件數(shù)據(jù);

(8)最后用Write()函數(shù)將讀取的源文件數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中，以便客戶端讀取;

(9)傳輸完畢時(shí)，用Close()關(guān)閉所有進(jìn)程，結(jié)束文件傳輸。

在文件傳輸過(guò)程中，很重要的一點(diǎn)是：當(dāng)服務(wù)器端開始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，客戶端要同時(shí)進(jìn)行文件數(shù)據(jù)的接收。如果客戶端沒(méi)有運(yùn)行，服務(wù)器端會(huì)一直等待客戶端發(fā)送請(qǐng)求，當(dāng)服務(wù)器源文件發(fā)送完畢，則客戶端也將源文件的數(shù)據(jù)完全接收，并生成新的目標(biāo)文件，從而實(shí)現(xiàn)文件的網(wǎng)絡(luò)通信。

6 結(jié)語(yǔ)

Linux操作系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面具有很強(qiáng)的開發(fā)潛力，同時(shí)Linux也是可靠性、安全性非常高的系統(tǒng)，因此在基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信的研究與開發(fā)中，通常選用Linux操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)。 本文是介紹基于Linux操作系統(tǒng)下TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)際應(yīng)用主要用于文件的網(wǎng)絡(luò)傳輸，解決了文件傳輸?shù)男蕟?wèn)題，作為進(jìn)一步完善，可以在文件傳送的過(guò)程中，加入如身份驗(yàn)證、權(quán)限分配、文件加密等安全機(jī)制，保證一些重要文件在傳送過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)泄密的情況，該設(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用企業(yè)辦公區(qū)域網(wǎng)中。