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          基于Linux操作系統(tǒng)下的TCP/IP網(wǎng)絡通信研究與應用

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          作者:高翊宇,馬林華,南秦博 (空軍工程大學 工程學院 陜西 西安 710038) 時間:2007-01-26 來源:《現(xiàn)代電子技術》 收藏

          1 引言

          linux是一種自由的unix類多用戶,多任務的操作系統(tǒng),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(tǒng),linux具有內核小、效率高、源代碼開放等優(yōu)點,還內含了tcp/ip網(wǎng)絡協(xié)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(wǎng)絡通信,隨著計算機辦公自動化處理技術的應用與推廣,網(wǎng)絡的不斷普及,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)絡傳輸方式。

          本文就是考慮到這一現(xiàn)狀,結合基于linux操作系統(tǒng)下的tcp/ip網(wǎng)絡通信原理,給出了一種基于tcp/ip編程實現(xiàn)文件傳輸?shù)膶嵗?,因此,tcp/ip網(wǎng)絡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)絡協(xié)議[1](transmission control protocol/internet protocol),是一個由多種協(xié)議組成的協(xié)議族,他定義了計算機通過網(wǎng)絡互相通信及協(xié)議族各層次之間通信的規(guī)范,圖1描述了linux對ip協(xié)議族的實現(xiàn)機制[2]。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/21539.htm

          linux支持bsd的套接字和全部的tcp/ip協(xié)議,是通過網(wǎng)絡協(xié)議將其視為一組相連的軟件層來實現(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,用來管理基于ip的tcp與udp端口到端口的互聯(lián)問題,從協(xié)議分層來看,ip是網(wǎng)絡層協(xié)議,tcp是一個可靠的端口到端口的傳輸層協(xié)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(wǎng)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(shù)據(jù)報文協(xié)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(xié)議,利用ip層傳輸報文時,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"協(xié)議"域(protocol)。通過該域的值,即可判明其上層協(xié)議類型,傳輸層與網(wǎng)絡層在功能說的最大區(qū)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(wǎng)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(xié)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(jié)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?shù)恼_性,ip層中的代碼用于實現(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(xié)議,而udp則是一個非面向連接協(xié)議,當一個udp報文發(fā)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l(wèi)inux網(wǎng)絡應用的網(wǎng)絡設備層,例如點到點協(xié)議(point to point protocol,ppp)和以太網(wǎng)層。網(wǎng)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(wǎng)絡設備與標準的linux設備不同,他們不是通過mknod命令創(chuàng)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(chuàng)建并可用。因此只有當啟動了正確設置的以太網(wǎng)設備驅動程序的內核后,才會有/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)絡通信原理

          所有的網(wǎng)絡通信就其實現(xiàn)技術可以分為兩種,線路交換和包交換,計算機網(wǎng)絡一般采用包交換,tcp使用了包交換通信技術,計算機網(wǎng)絡中所傳輸?shù)臄?shù)據(jù),全部都以包(packet)這個單位來發(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的信息等,在"報文"中記載有需要發(fā)送的數(shù)據(jù),網(wǎng)絡中的每個主機和路由器中都有一個路由尋址表,根據(jù)這個路由表,包就可以通過網(wǎng)絡傳送到相應的目的主機。

          網(wǎng)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(wǎng)絡進程的id,網(wǎng)絡通信歸根到底是進程的通信,在網(wǎng)絡中,每個節(jié)點有一個網(wǎng)絡地址(即ip地址),兩個進程通信時,首先要確定各自所在網(wǎng)絡節(jié)點的網(wǎng)絡地址,但是,網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡地址就能唯一地確定internet中的一個網(wǎng)絡進程??梢哉J為:

          套接字=網(wǎng)絡地址+端口號

          系統(tǒng)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(wǎng)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(shù)據(jù)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(xié)議,流式套接字使用tcp協(xié)議,數(shù)據(jù)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)絡通信原理在文件傳輸程序設計中的應用

          網(wǎng)絡上的絕大多數(shù)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(chuàng)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(jiān)聽(listen()) 。當accept()函數(shù)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(chuàng)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(fā)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(shù)據(jù)流,說他可靠,是因為他使用3段握手協(xié)議傳輸數(shù)據(jù),并且在傳輸時采用"重傳肯定確認"機制保證數(shù)據(jù)的正確發(fā)送:接收端收到的數(shù)據(jù)后要發(fā)出一個肯定確認,而發(fā)送端必須要能接受到這個肯定信號,否則就要將數(shù)據(jù)重發(fā)。在此原理基礎之上,設計了基于linux操作系統(tǒng)下tcp/ip編程實現(xiàn)文件傳輸?shù)膶嵗?。我們采用客戶機/服務器模式通信時,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/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(xù),因文件傳輸是一個交互式會話系統(tǒng),客戶機每次執(zhí)行文件傳輸,都需要與服務器建立控制連接和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)連接,進行實際的數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)傳輸完畢后,對應的數(shù)據(jù)連接被清除,控制連接依然保持,等待客戶機發(fā)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(fā)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(tài),這時只要客戶端向服務器端發(fā)出數(shù)據(jù)連接請求,建立起數(shù)據(jù)連接后,雙方就進入數(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,直到會話結束,從而實現(xiàn)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(chuàng)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(shù)使本地套接口向服務器端套接口發(fā)出建立連接請求,經(jīng)3次握手建立tcp連接。

          (3)用read()函數(shù)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(shù)打開客戶端新建立的目標文件,如果沒有建立,該函數(shù)會自動生成目標文件,等待存放文件內容。

          (5)最后用write()函數(shù)將讀取的文件內容存放在新的目標文件中,以實現(xiàn)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(shù)打開等待傳輸?shù)目勺x文件;

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

          (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)聽請求;

          (5)用accept()函數(shù)接受請求,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連接時,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(fā)送數(shù)據(jù)時,客戶端要同時進行文件數(shù)據(jù)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(fā)送請求,當服務器源文件發(fā)送完畢,則客戶端也將源文件的數(shù)據(jù)完全接收,并生成新的目標文件,從而實現(xiàn)文件的網(wǎng)絡通信。

          6 結語

          linux操作系統(tǒng)在網(wǎng)絡應用方面具有很強的開發(fā)潛力,同時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。

          本文是介紹基于linux操作系統(tǒng)下tcp/ip網(wǎng)絡通信的實際應用主要用于文件的網(wǎng)絡傳輸,解決了文件傳輸?shù)男蕟栴},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(xiàn)泄密的情況,該設計可廣泛應用企業(yè)辦公區(qū)域網(wǎng)中。



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