基于TCP/IP編程實現文件傳輸的案例分析

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(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。

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)，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。可以認為：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

5.1 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;