一種基于Linux的TCP/IP編程實(shí)現文件傳輸實(shí)例

1 引言

Linux 是一種自由的Unix類(lèi)多用戶(hù)，多任務(wù)的操作系統，可在運行在Intel 80386及更高檔次的PC機、ARMS、MIPS和PowerPC等多種計算機平臺，已成為應用廣泛、可靠性高、功能強大的計算機操作系統，Linux 具有內核小、效率高、源代碼開(kāi)放等優(yōu)點(diǎn)，還內含了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(zhù)計算機辦公自動(dòng)化處理技術(shù)的應用與推廣，網(wǎng)絡(luò )的不斷普及，傳統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。

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本文就是考慮到這一現狀，結合基于Linux操作系統下的TCP/IP網(wǎng)絡(luò )通信原理，給出了一種基于TCP/IP編程實(shí)現文件傳輸的實(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，他定義了計算機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )互相通信及協(xié)議族各層次之間通信的規范，圖1描述了Linux對IP協(xié)議族的實(shí)現機制[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)路間傳輸報文，保證所傳輸報文的無(wú)丟失性和無(wú)重復性。用戶(hù)數據報文協(xié)議(User Datagram Protocol，UDP)也是利用IP層傳輸報文，但他是一個(gè)非面向連接的傳輸層協(xié)議，利用IP層傳輸報文時(shí)，當目的方網(wǎng)際協(xié)議層收到IP報文后，必須識別出該報文所使用的上層協(xié)議(即傳輸層協(xié)議)，因此，在IP報頭上中，設有一個(gè)"協(xié)議"域(Protocol)。通過(guò)該域的值，即可判明其上層協(xié)議類(lèi)型，傳輸層與網(wǎng)絡(luò )層在功能說(shuō)的最大區別是前者提供進(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地址，還包括可以描述進(jìn)程的某種標識符，為此，TCP/UDP提出了協(xié)議端口(Protocol Port)的概念，用于標識通信的進(jìn)程，例如，Web服務(wù)器進(jìn)程通常使用端口80，在/etc/services文件中有這些注冊了的端口地址。

對于TCP傳輸，傳輸節點(diǎn)間先要建立連接，然后通過(guò)該連接傳輸已排好序的報文，以保證傳輸的正確性，IP層中的代碼用于實(shí)現網(wǎng)際協(xié)議，這些代碼將 IP頭增加到傳輸數據中，同時(shí)也把收到的IP報文正確的傳送到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，當一個(gè) UDP報文發(fā)送出去后，Linux并不知道也不去關(guān)心他是否成功地到達了目的的主機，IP層之下，是支持所有Linux網(wǎng)絡(luò )應用的網(wǎng)絡(luò )設備層，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 )設備并非總代表物理設備，其中有一些(例如回送設備)則是純粹的軟件設備，網(wǎng)絡(luò )設備與標準的Linux設備不同，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，這些設備才被創(chuàng )建并可用。因此只有當啟動(dòng)了正確設置的以太網(wǎng)設備驅動(dòng)程序的內核后，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)現技術(shù)可以分為兩種，線(xiàn)路交換和包交換，計算機網(wǎng)絡(luò )一般采用包交換，TCP使用了包交換通信技術(shù)，計算機網(wǎng)絡(luò )中所傳輸的數據，全部都以包(Packet)這個(gè)單位來(lái)發(fā)送，包由"報頭"和"報文"組成，結構如圖2所示，在"報頭"中記載有發(fā)送主機地址，接收主機地址及與報文內容相關(guān)的信息等，在"報文"中記載有需要發(fā)送的數據，網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)主機和路由器中都有一個(gè)路由尋址表，根據這個(gè)路由表，包就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送到相應的目的主機。

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)程所在的計算機，而一臺計算機上可能同時(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(Port)，在一臺計算機中，一個(gè)端口一次只能分配給一個(gè)進(jìn)程，即端口號與進(jìn)程是一一對應的關(guān)系，所以，端口號和網(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為：套接字= 網(wǎng)絡(luò )地址+端口號

系統調用一個(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(lèi)，最常用的就有兩種;流式套接字和數據報套接字。在Linux中分別稱(chēng)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，數據報套接字使用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計中的應用

網(wǎng)絡(luò )上的絕大多數通信采用的都是客戶(hù)機/服務(wù)器機制(Client/Server)，即服務(wù)器提供服務(wù)，客戶(hù)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/端口號綁定(Bind())，成功之后就在相應的Socket上監聽(tīng)(Listen()) 。當Accept()函數捕捉到一個(gè)連接服務(wù)(Connect())請求時(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(hù)端通信，客戶(hù)端同樣也要創(chuàng )建一個(gè)Socket，將該Socket與本地地址/端口號綁定，還需要指定服務(wù)器端的地址與端口號，隨后向服務(wù)器端發(fā)出 Connect()，請求被服務(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、雙向的通信數據流，說(shuō)他可靠，是因為他使用3段握手協(xié)議傳輸數據，并且在傳輸時(shí)采用"重傳肯定確認"機制保證數據的正確發(fā)送：接收端收到的數據后要發(fā)出一個(gè)肯定確認，而發(fā)送端必須要能接受到這個(gè)肯定信號，否則就要將數據重發(fā)。在此原理基礎之上，設計了基于Linux 操作系統下TCP/IP編程實(shí)現文件傳輸的實(shí)例。我們采用客戶(hù)機/服務(wù)器模式通信時(shí)，通信雙方發(fā)送/接收數據的工作流程如圖3所示。

文件傳輸就是基于客戶(hù)機/服務(wù)器模型而設計的，客戶(hù)機和服務(wù)器之間利用TCP建立連續，因文件傳輸是一個(gè)交互式會(huì )話(huà)系統，客戶(hù)機每次執行文件傳輸，都需要與服務(wù)器建立控制連接和數據連接，其中控制連接負責傳輸控制信息、利用控制命令、客戶(hù)機可以向服務(wù)器提出無(wú)限次的請求，客戶(hù)機每次提出的請求，服務(wù)器與客戶(hù)機建立一個(gè)數據連接，進(jìn)行實(shí)際的數據傳輸，數據傳輸完畢后，對應的數據連接被清除，控制連接依然保持，等待客戶(hù)機發(fā)出新的傳輸請求，直到客戶(hù)機撤銷(xiāo)控制連接，結束會(huì )話(huà)。

當進(jìn)行文件傳輸時(shí)，首先向服務(wù)器發(fā)出連接請求，服務(wù)器驗證身份后，與客戶(hù)端建立連接，雙方進(jìn)入會(huì )話(huà)狀態(tài)，這時(shí)只要客戶(hù)端向服務(wù)器端發(fā)出數據連接請求，建立起數據連接后，雙方就進(jìn)入數據傳輸狀態(tài)，數據傳輸完畢后，數據連接被撤銷(xiāo)，如此循環(huán)反復，直到會(huì )話(huà)結束，從而實(shí)現將文件從服務(wù)器端傳輸至客戶(hù)機端。

5 文件傳輸程序設計流程[5，6]

5.1 客戶(hù)端的TCP應用程序流程

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

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

(3)用Read()函數讀取所要接收的文件名以及存放在內存里的文件內容。

(4)用Open()函數打開(kāi)客戶(hù)端新建立的目標文件，如果沒(méi)有建立，該函數會(huì )自動(dòng)生成目標文件，等待存放文件內容。

(5)最后用Write()函數將讀取的文件內容存放在新的目標文件中，以實(shí)現服務(wù)器端向客戶(hù)端的文件傳輸。

(6)通信結束，用Close()關(guān)閉套接口，停止接收文件。

5.2 服務(wù)器端的TCP應用程序流程

(1)先用Open()函數打開(kāi)等待傳輸的可讀文件;

(2)用Socket()創(chuàng )建套接口，并給套接口地址結構賦值;

(3)用Bind()函數綁定套接口;

(4)用Listen()函數在該套接口上監聽(tīng)請求;

(5)用Accept()函數接受請求，產(chǎn)生新的套接口及描述字，并與客戶(hù)端連接;

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

(7)用Read()函數讀取一定長(cháng)度的源文件數據;

(8)最后用Write()函數將讀取的源文件數據存放在內存中，以便客戶(hù)端讀取;

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

在文件傳輸過(guò)程中，很重要的一點(diǎn)是：當服務(wù)器端開(kāi)始發(fā)送數據時(shí)，客戶(hù)端要同時(shí)進(jìn)行文件數據的接收。如果客戶(hù)端沒(méi)有運行，服務(wù)器端會(huì )一直等待客戶(hù)端發(fā)送請求，當服務(wù)器源文件發(fā)送完畢，則客戶(hù)端也將源文件的數據完全接收，并生成新的目標文件，從而實(shí)現文件的網(wǎng)絡(luò )通信。

6 結語(yǔ)

Linux操作系統在網(wǎng)絡(luò )應用方面具有很強的開(kāi)發(fā)潛力，同時(shí)Linux也是可靠性、安全性非常高的系統，因此在基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò )通信的研究與開(kāi)發(fā)中，通常選用Linux操作系統作為開(kāi)發(fā)平臺。

本文是介紹基于Linux操作系統下TCP/IP網(wǎng)絡(luò )通信的實(shí)際應用主要用于文件的網(wǎng)絡(luò )傳輸，解決了文件傳輸的效率問(wèn)題，作為進(jìn)一步完善，可以在文件傳送的過(guò)程中，加入如身份驗證、權限分配、文件加密等安全機制，保證一些重要文件在傳送過(guò)程中不會(huì )出現泄密的情況，該設計可廣泛應用企業(yè)辦公區域網(wǎng)中。