基于Linux操作系統下的TCP/IP網絡通信研究與應用

1 引言

linux是一種自由的unix類多用戶，多任務的操作系統，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、源代碼開放等優點，還內含了tcp/ip網絡協議，很適合在服務器領域使用，而服務器主要用途之一就是進行網絡通信，隨著計算機辦公自動化處理技術的應用與推廣，網絡的不斷普及，傳統的紙張式文件傳輸方式已經不再適合發展的需要，人們更期待一種便捷、高效、環保、安全的網絡傳輸方式。

本文就是考慮到這一現狀，結合基于linux操作系統下的tcp/ip網絡通信原理，給出了一種基于tcp/ip編程實現文件傳輸的實例，因此，tcp/ip網絡通信研究具有十分重要的意義。

2 tcp/ip協議概述

tcp/ip即傳輸控制協議/網絡協議[1]（transmission control protocol/internet protocol），是一個由多種協議組成的協議族，他定義了計算機通過網絡互相通信及協議族各層次之間通信的規范，圖1描述了linux對ip協議族的實現機制[2]。

linux支持bsd的套接字和全部的tcp/ip協議，是通過網絡協議將其視為一組相連的軟件層來實現的，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，用來管理基于ip的tcp與udp端口到端口的互聯問題，從協議分層來看，ip是網絡層協議，tcp是一個可靠的端口到端口的傳輸層協議，他是利用ip層進行傳接報文的，同時也是面向連接的，通過建立一條虛擬電路在不同的網路間傳輸報文，保證所傳輸報文的無丟失性和無重復性。用戶數據報文協議（user datagram protocol，udp）也是利用ip層傳輸報文，但他是一個非面向連接的傳輸層協議，利用ip層傳輸報文時，當目的方網際協議層收到ip報文后，必須識別出該報文所使用的上層協議（即傳輸層協議），因此，在ip報頭上中，設有一個"協議"域（protocol）。通過該域的值，即可判明其上層協議類型，傳輸層與網絡層在功能說的最大區別是前者提供進程通信能力，而后者則不能，在進程通信的意義上，網絡通信的最終地址不僅僅是主機地址，還包括可以描述進程的某種標識符，為此，tcp/udp提出了協議端口（protocol port）的概念，用于標識通信的進程，例如，web服務器進程通常使用端口80，在/etc/services文件中有這些注冊了的端口地址。

對于tcp傳輸，傳輸節點間先要建立連接，然后通過該連接傳輸已排好序的報文，以保證傳輸的正確性，ip層中的代碼用于實現網際協議，這些代碼將ip頭增加到傳輸數據中，同時也把收到的ip報文正確的傳送到tcp層或udp層。tcp是一個面向連接協議，而udp則是一個非面向連接協議，當一個udp報文發送出去后，linux并不知道也不去關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網絡應用的網絡設備層，例如點到點協議（point to point protocol，ppp）和以太網層。網絡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，網絡設備與標準的linux設備不同，他們不是通過mknod命令創建的，必須是底層軟件找到并進行了初始化之后，這些設備才被創建并可用。因此只有當啟動了正確設置的以太網設備驅動程序的內核后，才會有/dev/eth0文件，arp協議位于ip層和支持地址解析的協議層之間。

3 網絡通信原理

所有的網絡通信就其實現技術可以分為兩種，線路交換和包交換，計算機網絡一般采用包交換，tcp使用了包交換通信技術，計算機網絡中所傳輸的數據，全部都以包（packet）這個單位來發送，包由"報頭"和"報文"組成，結構如圖2所示，在"報頭"中記載有發送主機地址，接收主機地址及與報文內容相關的信息等，在"報文"中記載有需要發送的數據，網絡中的每個主機和路由器中都有一個路由尋址表，根據這個路由表，包就可以通過網絡傳送到相應的目的主機。

網絡通信中的一個非常重要的概念就是套接字（socket）[3，4]，簡單地說，套接字就是網絡進程的id，網絡通信歸根到底是進程的通信，在網絡中，每個節點有一個網絡地址（即ip地址），兩個進程通信時，首先要確定各自所在網絡節點的網絡地址，但是，網絡地址只能確定進程所在的計算機，而一臺計算機上可能同時有多個網絡進程，還不能確定到底是其中的哪個進程，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，一個端口一次只能分配給一個進程，即端口號與進程是一一對應的關系，所以，端口號和網絡地址就能唯一地確定internet中的一個網絡進程?？梢哉J為：

套接字=網絡地址+端口號

系統調用一個socket（）得到一個套接字描述符，然后就可以通過他進行網絡通信了。

套接字有很多種類，最常用的就有兩種；流式套接字和數據報套接字。在linux中分別稱之為"sock_stream"和"sock_dgram）"他們分別使用不同的協議，流式套接字使用tcp協議，數據報套接字使用udp協議，本文所使用的是流式套接字協議。

4 網絡通信原理在文件傳輸程序設計中的應用

網絡上的絕大多數通信采用的都是客戶機/服務器機制（client/server），即服務器提供服務，客戶是這些服務的使用者，服務器首先創建一個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（listen（）） 。當accept（）函數捕捉到一個連接服務（connect（））請求時，接受并生成一個新的socket,并通過這個新的socket與客戶端通信，客戶端同樣也要創建一個socket，將該socket與本地地址/端口號綁定，還需要指定服務器端的地址與端口號，隨后向服務器端發出connect（），請求被服務器端接受后，可以通過socket與服務器端通信。

tcp是一種面向連接的、可靠的、雙向的通信數據流，說他可靠，是因為他使用3段握手協議傳輸數據，并且在傳輸時采用"重傳肯定確認"機制保證數據的正確發送：接收端收到的數據后要發出一個肯定確認，而發送端必須要能接受到這個肯定信號，否則就要將數據重發。在此原理基礎之上，設計了基于linux操作系統下tcp/ip編程實現文件傳輸的實例。我們采用客戶機/服務器模式通信時，通信雙方發送/接收數據的工作流程如圖3所示。

文件傳輸就是基于客戶機/服務器模型而設計的，客戶機和服務器之間利用tcp建立連續，因文件傳輸是一個交互式會話系統，客戶機每次執行文件傳輸，都需要與服務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、客戶機可以向服務器提出無限次的請求，客戶機每次提出的請求，服務器與客戶機建立一個數據連接，進行實際的數據傳輸，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，等待客戶機發出新的傳輸請求，直到客戶機撤銷控制連接，結束會話。

當進行文件傳輸時，首先向服務器發出連接請求，服務器驗證身份后，與客戶端建立連接，雙方進入會話狀態，這時只要客戶端向服務器端發出數據連接請求，建立起數據連接后，雙方就進入數據傳輸狀態，數據傳輸完畢后，數據連接被撤銷，如此循環反復，直到會話結束，從而實現將文件從服務器端傳輸至客戶機端。

5 文件傳輸程序設計流程[5，6]

5.1 客戶端的tcp應用程序流程

（1）先用socket（）創建本地套接口，給服務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器端套接口發出建立連接請求，經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（）函數打開客戶端新建立的目標文件，如果沒有建立，該函數會自動生成目標文件，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，以實現服務器端向客戶端的文件傳輸。

（6）通信結束，用close（）關閉套接口，停止接收文件。

5.2 服務器端的tcp應用程序流程

（1）先用open（）函數打開等待傳輸的可讀文件；

（2）用socket（）創建套接口，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請求；

（5）用accept（）函數接受請求，產生新的套接口及描述字，并與客戶端連接；

（6）用lseek（）函數是為了在每次接受客戶機連接時，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，以便客戶端讀??；

（9）傳輸完畢時，用close（）關閉所有進程，結束文件傳輸。

在文件傳輸過程中，很重要的一點是：當服務器端開始發送數據時，客戶端要同時進行文件數據的接收。如果客戶端沒有運行，服務器端會一直等待客戶端發送請求，當服務器源文件發送完畢，則客戶端也將源文件的數據完全接收，并生成新的目標文件，從而實現文件的網絡通信。

6 結語

linux操作系統在網絡應用方面具有很強的開發潛力，同時linux也是可靠性、安全性非常高的系統，因此在基于tcp/ip網絡通信的研究與開發中，通常選用linux操作系統作為開發平臺。

本文是介紹基于linux操作系統下tcp/ip網絡通信的實際應用主要用于文件的網絡傳輸，解決了文件傳輸的效率問題，作為進一步完善，可以在文件傳送的過程中，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程中不會出現泄密的情況，該設計可廣泛應用企業辦公區域網中。