一種基于Linux的TCP/IP編程實現(xiàn)文件傳輸實例

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(nèi)核小、效率高、源代碼開放等優(yōu)點，還內(nèi)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。

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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]。

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Linux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(qū)動程序的內(nèi)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(nèi)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。可以認為：套接字= 網(wǎng)絡地址+端口號

系統(tǒng)調(diào)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(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(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(nèi)存中，以便客戶端讀取;

(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。