基于Linux的网络通信的问题,基于Linux操作系统下的TCP/IP网络通信研究与应用

1 引言

Linux是一种自由的Unix类多用户&＃xff0c;多任务的操作系统&＃xff0c;可在运行在Intel 80386及更高档次的PC机、ARMS、MIPS和PowerPC等多种计算机平台&＃xff0c;已成为应用广泛、可靠性高、功能强大的计算机操作系统&＃xff0c;Linux具有内核小、效率高、源代码开放等优点&＃xff0c;还内含了TCP/IP网络协议&＃xff0c;很适合在服务器领域使用&＃xff0c;而服务器主要用途之一就是进行网络通信&＃xff0c;随着计算机办公自动化处理技术的应用与推广&＃xff0c;网络的不断普及&＃xff0c;传统的纸张式文件传输方式已经不再适合发展的需要&＃xff0c;人们更期待一种便捷、高效、环保、安全的网络传输方式。

本文就是考虑到这一现状&＃xff0c;结合基于Linux操作系统下的TCP/IP网络通信原理&＃xff0c;给出了一种基于TCP/IP编程实现文件传输的实例&＃xff0c;因此&＃xff0c;TCP/IP网络通信研究具有十分重要的意义。

2 TCP/IP协议概述

TCP/IP即传输控制协议/网络协议[1](Transmission Control Protocol/Internet Protocol)&＃xff0c;是一个由多种协议组成的协议族&＃xff0c;他定义了计算机通过网络互相通信及协议族各层次之间通信的规范&＃xff0c;图1描述了Linux对IP协议族的实现机制[2]。

Linux支持BSD的套接字和全部的TCP/IP协议&＃xff0c;是通过网络协议将其视为一组相连的软件层来实现的&＃xff0c;BSD套接字(BSD Socket)由通用的套接字管理软件支持&＃xff0c;该软件是INET套接字层&＃xff0c;用来管理基于IP的TCP与UDP端口到端口的互联问题&＃xff0c;从协议分层来看&＃xff0c;IP是网络层协议&＃xff0c;TCP是一个可靠的端口到端口的传输层协议&＃xff0c;他是利用IP层进行传接报文的&＃xff0c;同时也是面向连接的&＃xff0c;通过建立一条虚拟电路在不同的网路间传输报文&＃xff0c;保证所传输报文的无丢失性和无重复性。用户数据报文协议(User Datagram Protocol&＃xff0c;UDP)也是利用IP层传输报文&＃xff0c;但他是一个非面向连接的传输层协议&＃xff0c;利用IP层传输报文时&＃xff0c;当目的方网际协议层收到IP报文后&＃xff0c;必须识别出该报文所使用的上层协议(即传输层协议)&＃xff0c;因此&＃xff0c;在IP报头上中&＃xff0c;设有一个"协议"域(Protocol)。通过该域的值&＃xff0c;即可判明其上层协议类型&＃xff0c;传输层与网络层在功能说的最大区别是前者提供进程通信能力&＃xff0c;而后者则不能&＃xff0c;在进程通信的意义上&＃xff0c;网络通信的最终地址不仅仅是主机地址&＃xff0c;还包括可以描述进程的某种标识符&＃xff0c;为此&＃xff0c;TCP/UDP提出了协议端口(Protocol Port)的概念&＃xff0c;用于标识通信的进程&＃xff0c;例如&＃xff0c;Web服务器进程通常使用端口80&＃xff0c;在/etc/services文件中有这些注册了的端口地址。

对于TCP传输&＃xff0c;传输节点间先要建立连接&＃xff0c;然后通过该连接传输已排好序的报文&＃xff0c;以保证传输的正确性&＃xff0c;IP层中的代码用于实现网际协议&＃xff0c;这些代码将IP头增加到传输数据中&＃xff0c;同时也把收到的IP报文正确的传送到TCP层或UDP层。TCP是一个面向连接协议&＃xff0c;而UDP则是一个非面向连接协议&＃xff0c;当一个UDP报文发送出去后&＃xff0c;Linux并不知道也不去关心他是否成功地到达了目的的主机&＃xff0c;IP层之下&＃xff0c;是支持所有Linux网络应用的网络设备层&＃xff0c;例如点到点协议(Point to Point Protocol&＃xff0c;PPP)和以太网层。网络设备并非总代表物理设备&＃xff0c;其中有一些(例如回送设备)则是纯粹的软件设备&＃xff0c;网络设备与标准的Linux设备不同&＃xff0c;他们不是通过Mknod命令创建的&＃xff0c;必须是底层软件找到并进行了初始化之后&＃xff0c;这些设备才被创建并可用。因此只有当启动了正确设置的以太网设备驱动程序的内核后&＃xff0c;才会有/dev/eth0文件&＃xff0c;ARP协议位于IP层和支持地址解析的协议层之间。

3 网络通信原理

所有的网络通信就其实现技术可以分为两种&＃xff0c;线路交换和包交换&＃xff0c;计算机网络一般采用包交换&＃xff0c;TCP使用了包交换通信技术&＃xff0c;计算机网络中所传输的数据&＃xff0c;全部都以包(Packet)这个单位来发送&＃xff0c;包由"报头"和"报文"组成&＃xff0c;结构如图2所示&＃xff0c;在"报头"中记载有发送主机地址&＃xff0c;接收主机地址及与报文内容相关的信息等&＃xff0c;在"报文"中记载有需要发送的数据&＃xff0c;网络中的每个主机和路由器中都有一个路由寻址表&＃xff0c;根据这个路由表&＃xff0c;包就可以通过网络传送到相应的目的主机。

网络通信中的一个非常重要的概念就是套接字(Socket)[3&＃xff0c;4]&＃xff0c;简单地说&＃xff0c;套接字就是网络进程的ID&＃xff0c;网络通信归根到底是进程的通信&＃xff0c;在网络中&＃xff0c;每个节点有一个网络地址(即IP地址)&＃xff0c;两个进程通信时&＃xff0c;首先要确定各自所在网络节点的网络地址&＃xff0c;但是&＃xff0c;网络地址只能确定进程所在的计算机&＃xff0c;而一台计算机上可能同时有多个网络进程&＃xff0c;还不能确定到底是其中的哪个进程&＃xff0c;由此套接字中还要有其他的信息&＃xff0c;那就是端口号(Port)&＃xff0c;在一台计算机中&＃xff0c;一个端口一次只能分配给一个进程&＃xff0c;即端口号与进程是一一对应的关系&＃xff0c;所以&＃xff0c;端口号和网络地址就能唯一地确定Internet中的一个网络进程。可以认为&＃xff1a;套接字&＃61;网络地址&＃43;端口号

系统调用一个Socket()得到一个套接字描述符&＃xff0c;然后就可以通过他进行网络通信了。

套接字有很多种类&＃xff0c;最常用的就有两种&＃xff1b;流式套接字和数据报套接字。在Linux中分别称之为"SOCK_STREAM"和"SOCK_DGRAM)"他们分别使用不同的协议&＃xff0c;流式套接字使用TCP协议&＃xff0c;数据报套接字使用UDP协议&＃xff0c;本文所使用的是流式套接字协议。

4 网络通信原理在文件传输程序设计中的应用

网络上的绝大多数通信采用的都是客户机/服务器机制(Client/Server)&＃xff0c;即服务器提供服务&＃xff0c;客户是这些服务的使用者&＃xff0c;服务器首先创建一个Socket&＃xff0c;然后将该Socket与本地地址/端口号绑定(Bind())&＃xff0c;成功之后就在相应的Socket上监听(Listen()) 。当Accept()函数捕捉到一个连接服务(Connect())请求时&＃xff0c;接受并生成一个新的Socket,并通过这个新的Socket与客户端通信&＃xff0c;客户端同样也要创建一个Socket&＃xff0c;将该Socket与本地地址/端口号绑定&＃xff0c;还需要指定服务器端的地址与端口号&＃xff0c;随后向服务器端发出Connect()&＃xff0c;请求被服务器端接受后&＃xff0c;可以通过Socket与服务器端通信。

TCP是一种面向连接的、可靠的、双向的通信数据流&＃xff0c;说他可靠&＃xff0c;是因为他使用3段握手协议传输数据&＃xff0c;并且在传输时采用"重传肯定确认"机制保证数据的正确发送&＃xff1a;接收端收到的数据后要发出一个肯定确认&＃xff0c;而发送端必须要能接受到这个肯定信号&＃xff0c;否则就要将数据重发。在此原理基础之上&＃xff0c;设计了基于Linux操作系统下TCP/IP编程实现文件传输的实例。我们采用客户机/服务器模式通信时&＃xff0c;通信双方发送/接收数据的工作流程如图3所示。

文件传输就是基于客户机/服务器模型而设计的&＃xff0c;客户机和服务器之间利用TCP建立连续&＃xff0c;因文件传输是一个交互式会话系统&＃xff0c;客户机每次执行文件传输&＃xff0c;都需要与服务器建立控制连接和数据连接&＃xff0c;其中控制连接负责传输控制信息、利用控制命令、客户机可以向服务器提出无限次的请求&＃xff0c;客户机每次提出的请求&＃xff0c;服务器与客户机建立一个数据连接&＃xff0c;进行实际的数据传输&＃xff0c;数据传输完毕后&＃xff0c;对应的数据连接被清除&＃xff0c;控制连接依然保持&＃xff0c;等待客户机发出新的传输请求&＃xff0c;直到客户机撤销控制连接&＃xff0c;结束会话。

当进行文件传输时&＃xff0c;首先向服务器发出连接请求&＃xff0c;服务器验证身份后&＃xff0c;与客户端建立连接&＃xff0c;双方进入会话状态&＃xff0c;这时只要客户端向服务器端发出数据连接请求&＃xff0c;建立起数据连接后&＃xff0c;双方就进入数据传输状态&＃xff0c;数据传输完毕后&＃xff0c;数据连接被撤销&＃xff0c;如此循环反复&＃xff0c;直到会话结束&＃xff0c;从而实现将文件从服务器端传输至客户机端。

5 文件传输程序设计流程[5&＃xff0c;6]

5.1 客户端的TCP应用程序流程

(1)先用Socket()创建本地套接口&＃xff0c;给服务器端套接口地址结构赋值。

(2)用Connect()函数使本地套接口向服务器端套接口发出建立连接请求&＃xff0c;经3次握手建立TCP连接。

(3)用Read()函数读取所要接收的文件名以及存放在内存里的文件内容。

(4)用Open()函数打开客户端新建立的目标文件&＃xff0c;如果没有建立&＃xff0c;该函数会自动生成目标文件&＃xff0c;等待存放文件内容。

(5)最后用Write()函数将读取的文件内容存放在新的目标文件中&＃xff0c;以实现服务器端向客户端的文件传输。

(6)通信结束&＃xff0c;用Close()关闭套接口&＃xff0c;停止接收文件。

5.2 服务器端的TCP应用程序流程

(1)先用Open()函数打开等待传输的可读文件&＃xff1b;

(2)用Socket()创建套接口&＃xff0c;并给套接口地址结构赋值&＃xff1b;

(3)用Bind()函数绑定套接口&＃xff1b;

(4)用Listen()函数在该套接口上监听请求&＃xff1b;

(5)用Accept()函数接受请求&＃xff0c;产生新的套接口及描述字&＃xff0c;并与客户端连接&＃xff1b;

(6)用Lseek()函数是为了在每次接受客户机连接时&＃xff0c;将用于读的源文件指针移到文件头&＃xff1b;

(7)用Read()函数读取一定长度的源文件数据&＃xff1b;

(8)最后用Write()函数将读取的源文件数据存放在内存中&＃xff0c;以便客户端读取&＃xff1b;

(9)传输完毕时&＃xff0c;用Close()关闭所有进程&＃xff0c;结束文件传输。

在文件传输过程中&＃xff0c;很重要的一点是&＃xff1a;当服务器端开始发送数据时&＃xff0c;客户端要同时进行文件数据的接收。如果客户端没有运行&＃xff0c;服务器端会一直等待客户端发送请求&＃xff0c;当服务器源文件发送完毕&＃xff0c;则客户端也将源文件的数据完全接收&＃xff0c;并生成新的目标文件&＃xff0c;从而实现文件的网络通信。

6 结语

Linux操作系统在网络应用方面具有很强的开发潜力&＃xff0c;同时Linux也是可靠性、安全性非常高的系统&＃xff0c;因此在基于TCP/IP网络通信的研究与开发中&＃xff0c;通常选用Linux操作系统作为开发平台。

本文是介绍基于Linux操作系统下TCP/IP网络通信的实际应用主要用于文件的网络传输&＃xff0c;解决了文件传输的效率问题&＃xff0c;作为进一步完善&＃xff0c;可以在文件传送的过程中&＃xff0c;加入如身份验证、权限分配、文件加密等安全机制&＃xff0c;保证一些重要文件在传送过程中不会出现泄密的情况&＃xff0c;该设计可广泛应用企业办公区域网中。