Linux環境下基于Socket的數據傳輸軟件設計

王璇 王亮 楊玻 中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所

引言

隨著網絡通信在航空領域使用日趨廣泛，我們對于高可靠的網絡通信要求也是越來越高。因此操作系統中網絡的支持程度就顯得尤為重要。在現行眾多的操作系統中，Linux支持多用戶、多進程、多線程，實時性好，功能強大且穩定。在通信和網絡功能方面，Linux優于其它操作系統。其它操作系統不包含如此緊密的內核結合在一起的聯接網絡的能力，也沒有內置這些聯網特性的靈活性。而Linux為用戶提供了完善的、強大的網絡功能。

Socket作為UNIX的進程通信機制，通常也稱作“套接字”，用于描述IP地址和端口號，是一個通信鏈的句柄，可以用來實現不同虛擬機或不同計算機之間的通信。套接字通過調用系統提供的庫函數實現數據傳輸，不需要過多了解底層的細節，從而完成設備和網絡之間的通信。

1 Socket編程過程

Socket編程過程分為服務器端和客戶端編程，通信過程如圖1所示。

圖1 服務器端和客戶端Socket通信過程

Linux環境下的Socket編程是通過套接字的相關接口來實現的，應用程序可以通過Socket接口來收發數據。通信過程如下：

首先創建套接字socket()，然后服務器端綁定套接字bind()，即將本地主機的IP地址、端口號與創建的套接字相綁定。綁定完成后，服務器端監聽listen()，等待客戶端連接。客戶端發送連接請求connect()。客戶端的請求會觸發服務器端和客戶端底層的三次握手，服務器端接受連接accept()。成功建立連接后，雙方就可以進行數據收發了。一般使用send()發送數據，使用recv()來接收數據。以上，Socket就連接了客戶端和服務器端的應用程序。在雙方不需要通信時，可以使用close()關閉連接。

2 數據傳輸軟件設計

上面介紹了Socket的網絡通信原理，現在我們就可以對數據傳輸軟件進行設計了。這是一個運行在Linux操作系統上基于Socket的客戶端程序，我們主要從軟件概述、Linux定時器使用、連接保持模塊、數據發送模塊和數據接收模塊等5個方面進行闡述。

2.1 軟件概述

本軟件運行在一個裝有Ubuntu Linux操作系統的航空設備上。該設備通過網線與數據庫服務器相連接，并將設備和服務器的IP地址設置在同一網段中。在客戶端與服務器端建立連接后，客戶端主動向服務器端請求上層應用軟件所需要的數據，服務器端接收到指令后找到相應數據返回給客戶端，供上層應用使用。由于上層應用隨時可能下發數據傳輸請求，故客戶端應周期性判斷與服務器端的連接狀態，保證在上層應用下發命令時客戶端和服務器端是通信正常的。

2.2 Linux定時器使用

Linux系統提供了毫秒級定時器itimerval，它是一個有兩個成員變量it_value和it_interval的結構體。it_value指定時器安裝后首次啟動的初始值，it_interval指定時器重啟動的間隔值。本軟件將它們都設置為1秒，即定時器啟動后將會以1秒為間隔周期觸發。接著使用setitimer()函數使方才設置的定時器生效，并使用signal()將中斷處理函數掛接入該定時器。這樣，系統每秒就能運行一次中斷處理函數，它包含連接保持模塊、數據發送模塊和數據接收模塊。

2.3 連接保持模塊

客戶端在Socket初始化完成后，會周期調用connect()與服務器端嘗試建立連接，如果建立連接成功，則會給服務器端發送連接保持命令字，如果在超時時間內服務器返回了相應命令字，說明連接保持。這時，上層應用就可以下發傳輸數據的命令了；如果連續三個周期服務器沒有在超時時間內回應命令字，則判定服務器下線，斷開并關閉其連接。下個周期繼續調用connect()嘗試與其建立連接。

2.4 數據發送模塊

在連接保持的狀態下，當上層應用下發數據傳輸命令，客戶端就可以使用send()函數來發送數據了。如果出現了小于發送長度的情況，就代表著數據有部分沒有發送完成，只是發送了一部分，這時就需要再次發送來完成數據發送。

2.5 數據接收模塊

當服務器端接收到客戶端所請求的數據時，服務器端就會回復數據，即客戶端使用recv()接收數據。由于服務器端不一定會立即回復數據，所以要設置超時時間。在超時時間內，客戶端接收到了足夠數量的數據，并進行累加和校驗，校驗成功，那么傳遞給上層應用；校驗失敗，則通知服務器端重傳。如果服務器端回復超時，則也需要服務器端重傳。

3 運行結果

程序采用C語言編寫，編譯Linux客戶端時需要執行如下編譯命令：gcc -o client client.c，然后運行此執行文件，命令如下：

在Linux系統下執行完上述命令后，設備就和數據庫服務器建立連接了。設備先向服務器發送請求數據命令，再接收服務器發來的數據，是典型的“主從模式”一發一收。

4 小結

Linux網絡具有較高的安全性，可以進行網絡資源的共享，完成網絡通信。它還包含著很多網絡協議，擁有開放的源代碼，我們可以利用Linux網絡進行基于Socket的網絡通信技術的開發。Socket作為其中的接口起著舉足輕重的作用，連接起了網絡設備和應用程序與下層協定，從而完成設備和網絡之間的網路通信。