李淑梅,王志彬

(吉林師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,吉林 四平 136000)

0 引言

Linux操作系統(tǒng)堅(jiān)持以網(wǎng)絡(luò)為核心為其設(shè)計(jì)思想，使其具有突出的網(wǎng)絡(luò)性能，同時(shí)Linux具有多用戶、多線程的能力，都為開發(fā)高性能的網(wǎng)絡(luò)通信軟件奠定了良好的基礎(chǔ)[1-2]．

在Linux操作系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信主要采用的技術(shù)就是套接字socket(又稱BSD socket)．socket作為開放的網(wǎng)絡(luò)編程接口，以其眾多的優(yōu)勢(shì)廣泛地應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)編程中．目前,大部分的局域網(wǎng)聊天系統(tǒng)都要求多用戶同時(shí)在線，還要資源開銷少、響應(yīng)速度快的短信式交互，并且對(duì)數(shù)據(jù)可靠性要求不高，所以基于UDP 的socket成為開發(fā)網(wǎng)絡(luò)通信軟件的首選工具[3-4]．

1 UDP socket編程

1.1 socket概述

在網(wǎng)絡(luò)中，如果兩臺(tái)主機(jī)是通過(guò)“通道”進(jìn)行通信，那么socket接口就是“通道”兩端的出入口．socket接口為主機(jī)提供了一個(gè)通信端口，通過(guò)“通道”，可以與另一端具有socket接口的主機(jī)通信．如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔ⅲ罱K都是通過(guò)socket接口收發(fā)的．

socket的類型有SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM和SOCK_RAW三種，用戶使用的主要是前兩種類型．SOCK_STREAM采用TCP協(xié)議，提供面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；SOCK_DGRAM采用UDP協(xié)議，提供無(wú)連接的、不可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)．

圖1 socket的地位

1.2 UDP協(xié)議及無(wú)連接服務(wù)

作為開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型傳輸層上兩個(gè)主要協(xié)議之一的UDP，為應(yīng)用程序提供無(wú)連接服務(wù)．基于UDP的無(wú)連接服務(wù)，不必事先與對(duì)方建立連接，客戶程序與服務(wù)程序之間的相互作用只需一個(gè)請(qǐng)求和一個(gè)應(yīng)答就完成，因而數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t極小；不需要維護(hù)發(fā)送雙方的狀態(tài)，可以同時(shí)支持更多的在線客戶，使用更靈活；由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，UDP數(shù)據(jù)包的標(biāo)題很短(只有8個(gè)字節(jié))，對(duì)資源的需求更少；由于沒(méi)有擁塞控制的限制，吞吐量只受應(yīng)用程序產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速率、發(fā)送端主機(jī)的性能以及傳輸帶寬的限制[5-6]．

在局域網(wǎng)聊天系統(tǒng)中，擁有大量的客戶，網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)重，對(duì)響應(yīng)速度要求高，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)大多為短消息，對(duì)數(shù)據(jù)安全性無(wú)特殊要求，使用UDP的無(wú)連接服務(wù)是有意義的．

1.3 UDP socket函數(shù)

在Linux 環(huán)境下，兩個(gè)進(jìn)程間進(jìn)行通信，常用的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)為[7-9]:

(1)socket ( )：使用此函數(shù)，為應(yīng)用程序使用socket創(chuàng)建了一個(gè)socket號(hào)，同時(shí)參數(shù)中指定了通信所用的協(xié)議．

(2)bind()：socket的客戶端和服務(wù)端可以通過(guò)調(diào)用該函數(shù)來(lái)配置本地信息，將創(chuàng)建成功的socket號(hào)與本地地址和端口綁定，此時(shí)三元組{協(xié)議,本地地址，本地端口}確定，這是socket在全網(wǎng)唯一的標(biāo)志．

(3)sendto( )：若源進(jìn)程要發(fā)送數(shù)據(jù)，使用此函數(shù)，指定目的端的IP地址和端口，建立完整的相關(guān),可以將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的接收進(jìn)程．

(4)recvfrom( )：若進(jìn)程要接收信息，使用此函數(shù)，指定源端的IP地址和端口，可以將socket緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)接收．

(5)close()：數(shù)據(jù)的收發(fā)工作全部完成，關(guān)閉socket時(shí)使用此函數(shù)．

在客戶/服務(wù)器模式下，UDP socket編程的基本過(guò)程如圖2所示[10]．

圖2 socket編程過(guò)程圖

2 局域網(wǎng)聊天系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

局域網(wǎng)聊天系統(tǒng)主要為局域網(wǎng)內(nèi)的用戶提供信息交流的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)部通信的目的．作為局域網(wǎng)內(nèi)的通信工具,采用客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu),將系統(tǒng)分成服務(wù)器端和客戶端進(jìn)行開發(fā)．

聊天系統(tǒng)中不僅包括服務(wù)器與客戶端的通信，還包括客戶端與客戶端的通信．由于每個(gè)客戶都跟服務(wù)器建立了獨(dú)立連接，客戶端之間的通信(包括私聊和群聊)，可以借助服務(wù)器完成．對(duì)于私聊，發(fā)送方A先將消息發(fā)給服務(wù)器，再由服務(wù)器把消息轉(zhuǎn)發(fā)給接收方B；對(duì)于群聊，發(fā)送方A先將消息發(fā)給服務(wù)器，再由服務(wù)器把消息發(fā)給所有在線的客戶．

2.1 聊天系統(tǒng)的功能

聊天系統(tǒng)的功能如圖3所示：

圖3 聊天系統(tǒng)功能模塊圖

服務(wù)器端主要包括初始化模塊，監(jiān)控模塊和通信處理模塊．初始化模塊完成服務(wù)器端的公共套接字的創(chuàng)建與配置；監(jiān)控模塊監(jiān)控當(dāng)前在線用戶，對(duì)客戶的上線、離線進(jìn)行處理，通過(guò)UDP的多播功能把客戶名稱等信息發(fā)送給客戶端，生成客戶列表顯示給客戶；通信處理模塊主要對(duì)客戶的消息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收．如果服務(wù)器接收不到消息一直處于阻塞狀態(tài)，直到收到消息．

客戶端模塊主要包括登錄模塊、刷新模塊、聊天模塊．登錄模塊完成用戶的登錄和初始化客戶界面工作；刷新模塊接收從服務(wù)器傳來(lái)的信息，更新用戶列表；聊天模塊完成與單個(gè)客戶的通信和向所有在線客戶發(fā)送消息的功能．

2.2 主要執(zhí)行過(guò)程

服務(wù)器端：服務(wù)器啟動(dòng)后，使用socket()創(chuàng)建公共socket號(hào)，用bind()與IP地址和端口綁定，等待客戶的消息．一旦檢測(cè)到客戶登錄成功，監(jiān)控模塊根據(jù)客戶端的信息更新客戶列表，并反饋給客戶，使客戶得知哪些客戶在線．客戶端就可以與服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由通信處理模塊完成聊天的功能，包括群聊和私聊[11]．

客戶端：首先調(diào)用連接模塊檢測(cè)服務(wù)器是否在運(yùn)行，若運(yùn)行再登錄．客戶端登錄輸入用戶名，使用socket()創(chuàng)建socket號(hào)．用sendto()發(fā)送消息，以告知服務(wù)器在線，然后服務(wù)器返回在線用戶列表．此時(shí)，可以進(jìn)入聊天界面．用戶選擇單聊還是群聊，利用聊天模塊，開始數(shù)據(jù)通信．若要結(jié)束，則使用close()，關(guān)閉socket．

2.3 部分源代碼

局域網(wǎng)聊天系統(tǒng)采用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，下面是服務(wù)器端和客戶端的部分源代碼．

服務(wù)器端：

int main()

{

pub_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);//服務(wù)器端創(chuàng)建數(shù)據(jù)報(bào)socket

if(pub_sockfd < 0)

{perror("socket error");

exit(1);

}

ser_addr.sin_family = AF_INET;//指定協(xié)議族為TCP/IP協(xié)議

ser_addr.sin_port = htons(PORT);//PORT為指定的端口

ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);// 指定本機(jī)IP地址

bind(pub_sockfd,(struct sockaddr *)&ser_addr,sizeof(ser_addr));//將socket與本地IP地址和端口綁定

……

}

客戶端主要代碼:

void client_sock( )

{

……

sockfd_client = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);//客戶端創(chuàng)建數(shù)據(jù)報(bào)socket

……

cliaddr.sin_family = AF_INET;

cliaddr.sin_port = htons(PORT);// 設(shè)置服務(wù)器的端口

cliaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SER_IP);// 指定服務(wù)器的IP地址

ret = sendto(sockfd_client,&cmd,sizeof(struct cli_send_cmd),0,(struct sockaddr *)&cliaddr,sizeof(cliaddr))//客戶端向服務(wù)器端發(fā)送消息

……

ret = recvfrom(sockfd_client,buf,1024,0,(struct sockaddr *)&cliaddr,&cli_len);

/*接收從服務(wù)器端發(fā)來(lái)的消息*/

……

}

2.4 測(cè)試結(jié)果

圖4為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)私聊的界面.

圖4 測(cè)試界面

3 結(jié)語(yǔ)

本文在Linux環(huán)境下，將基于數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP的socket應(yīng)用到局域網(wǎng)聊天系統(tǒng)中，使局域網(wǎng)聊天系統(tǒng)在減少資源開銷的同時(shí)，加快了響應(yīng)的速度，可以同時(shí)支持更多的用戶在線．基于UDP的socket是收發(fā)信息的理想選擇，其在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用值得進(jìn)一步去探究．

[1]王繼魁.Linux下基于shell腳本的聊天工具[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，30(1)：122～124.

[2]賈紅偉，葉文來(lái).嵌入式操作系統(tǒng)與嵌入式Linux[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，26(3)：97～99.

[3]周小松，朱雄軍.基于UOP協(xié)議的Socket網(wǎng)絡(luò)編程模式的實(shí)現(xiàn)[J].武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，6：84～86.

[4]陳健葦.基于Winsock的局域網(wǎng)聊天室設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].數(shù)學(xué)技術(shù)與應(yīng)用，2013，(2)：134～136.

[5]吳培賢.Linux環(huán)境下基于UDP的socket編程淺析[J]．網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2006，(1):63～66.

[6]杜經(jīng)緯，王春紅.在P2P網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于UDP協(xié)議穿越NAT研究[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，33(1)：93～95.

[7]朱 斌．Linux Socket編程及其在無(wú)線網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2007，23：70～74．

[8]鄒 月，陳建兵．Socket 的網(wǎng)絡(luò)編程研究與實(shí)現(xiàn)[J]．電腦編程技巧與維護(hù)，2008，(1)：11～12.

[9]周西峰，陸 鵬，郭前崗.利用Socket實(shí)現(xiàn)Windows與Linux平臺(tái)間的網(wǎng)絡(luò)通信[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013，18：49～51.

[10]劉 燁.用Socket實(shí)現(xiàn)基于TCP和UPP的原理探索[J].電腦學(xué)習(xí)，2009，(6)：6～7.

[11]蕭泳東，肖 化.基于Linux的網(wǎng)絡(luò)聊天系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，(3)：51～54.