利用socket实现Windows与Linux平台间的网络通信

摘要： 介绍了socket的工作原理，构建出一个适用于Windows和Linux操作系统的、跨平台的网络通信程序，并给出设计原理和开发步骤。整个系统采用客户机/服务器(C/S)模型，在Windows系统中，socket程序利用Visual C#语言编写。Linux系统中的socket程序调用select()函数，则该套接字自动设置为非阻塞方式，从而提高了程序的执行效率。经测试，通信两端的进程能够通过各自的套接字收发消息，从而实现了Windows与Linux平台间的通信。(套接字、跨平台网络通信、客户机/服务器、select()函数)

在工业生产中，人们常把稳定性高的Linux系统运用到工业控制领域，以此来提高控制系统的性能。基于Windows平台开发的软件使用方便，因此工程中的应用软件大多数是以Windows为平台开发的。在一个工业系统中，人们需要同时使用Windows和Linux两种操作系统。为了使两个不同的操作系统能够协同工作并互相传递消息，需要在两者间进行通信。

在日常工作中，Windows作为PC机的操作平台被广泛使用，而Linux也以其开放的优势逐渐被用户采用。在两种系统被普遍使用的前提下，如何实现资源共享就成了一个重要的研究课题，需要实现两个平台间的互相通信以达到资源共享的目的。

基于以上两点，实现Windows与Linux平台间的网络通信有着重要的研究意义。本文通过socket(套接字)编程实现两个系统间的通信，socket是对应TCP/IP协议的最典型的应用开发接口，它提供了不同主机间进程通信的端点。本文阐述了套接字的编程原理，并举例说明如何开发Linux和Windows系统之间的网络通信程序。

1 socket基本原理

1.1 基本socket函数

 socket通信涉及的基本函数有：

     (1)创建套接字

    sockfd=socket(domain, type, protocol)；参数domain指定socket地址簇类型，type为套接字类型，protocol指明socket请求的协议，sockfd为套接字返回的文件描述符。

    (2)绑定套接字与本地地址信息

    bind(sockfd，(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(struct sockaddr))；该函数将本地主机地址以及端口号与所创建的套接字绑定起来。

    (3)监听连接

    listen(sockfd，backlog)；此函数表示服务器愿意接收连接，backlog指队列中允许的最大排队请求的个数。

     (4)建立连接

    connect(sockfd，(struct sockaddr*) &server_addr，sizeof(struct sockaddr))；connect用于建立连接，server_addr是保存着服务器IP地址和端口号的数据结构struct sockaddr。

     (5)接收连接请求

    accept(sockfd，(struct sockaddr*) &client_addr，sizeof(struct sockaddr))；用于接收客户机发来的连接请求。

     (6)发送数据

    send(sockfd，msg，len，flags)；将len字节的数据msg发送出去，flags通常为0。

    (7)接收数据

    recv(sockfd，buf，len，flags)；从套接字缓冲区buf中读取len字节长度的数据。

     (8)关闭套接字

    close(sockfd)；用于关闭套接字连接。

1.2 socket通信过程

套接字编程采用客户机/服务器(C/S)模式，连接成功后，双方可以进行通信。通信过程如图1所示。

2 软件设计

为避免使用两台计算机的麻烦，在Windows7系统的PC上安装虚拟机，虚拟机的操作系统是Linux。这样就可以在一台PC上进行通信测试，主机为Windows平台，虚拟机为Linux平台。

整个系统采用客户机/服务器(C/S)模型，将Linux平台作为服务器端，其IP地址为10.33.17.127，端口号为3352。将Windows平台作为客户机端，其IP地址为10.33.17.126。

2.1 Linux平台软件设计

2.1.1 响应连接

分别调用socket()、bind()、listen()和accept()来监听客户机端的连接请求并与之连接。

2.1.2 select函数[4]的使用

select可以完成非阻塞操作，即进程执行此函数时不必等待事件发生。它能够监视select返回的文件描述符的变化情况，通过返回值来判断select函数的执行情况。

首先定义一个集合变量fd_set rfds，分别将标准输入句柄0和当前连接句柄client_fd加入到集合中。先令maxfd为0，再比较client_fd与maxfd的大小，将两者中较大的值赋给maxfd，即将文件描述符的最大值赋予maxfd。设置最大等待时间tv.tv_sec=1，tv.tv_usec=0。

retval=select(maxfd+1，&rfds，NULL，NULL，&tv)，通过返回值retval判断文件的读写情况。若retval为-1，则出错；若retval为0，则继续等待；若retval为正值，则文件可读写，可以执行接下来的发送和接收消息的操作。

2.1.3 发送与接收消息

if(FD_ISSET(0，&rfds))用来检查指定文件描述符0是否在该集合rfds中，若满足则执行发送操作。fgets(buf，MAXBUF，stdin)表示将键盘输入的至多MAXBUF个字符的stdin送到buf中，摁下“Enter”键后即可发送。

同理，对于是否接收消息通过if (FD_ISSET(client_fd，&rfds))来判断。

2.1.4 断开连接

若要断开连接，则输入“quit”。通过命令if(!strncasecmp(buf，"quit"，4))来判断输入的内容是否为quit。连接断开后，显示框显示“Client has terminated the communication.”。

2.2 Windows平台软件设计

在Windows系统中，使用C#语言来编写socket程序。打开Microsoft Visual Studio 2010，新建一个“Windows窗体应用程序”的项目。在窗体中添加两个button控件，分别为button1(连接)和button2(发送)。并添加4个textBox控件，分别为textBox1(消息显示框)、textBox2(消息输入框)、textBox3(服务器IP地址输入框)和textBox4(服务器端口号输入框)。

2.2.1 请求连接

新建socket，Server和nPort分别表示服务器IP地址和端口号，通过命令socket.Connect(ServerIP，nPort)来连接服务器。

2.2.2 发送与接收消息

定义发送的字符串为Message，将消息输入框textBox2中的内容指定为Message。通过发送命令socket.Send(System.Text.Encoding.Default.GetBytes(Message))进行消息发送。

新建一个byte数组byte[] RecvBuffer，通过socket.Receive(RecvBuffer)将接收到的内容存放到RecvBuffer中。接收成功后，将接收到的内容显示在消息显示框中。

3 运行结果与分析

3.1 编译并执行Linux端程序

gcc server_socket.c-o server_scoket

 ./server_socket 3352 Server

 此时，服务器端程序准备就绪，等待客户端请求连接。

3.2 启动Windows端的连接

  打开Microsoft Visual Studio 2010软件，点击“启动调试”键后弹出窗体界面。点击窗体界面中的“连接”键后，客户机端能够成功连接服务器端。

3.3 实现互相通信

连接成功后，服务器端和客户机端可以自由发送消息。如图2所示，Windows系统中，在窗体界面的“消息输入框”中输入消息，点击“发送”后即可发送。在Linux终端中，输入要发送的消息，点击“Enter”键后进行发送。如图3所示。

3.4 结果分析

结果表明，服务器端和客户机端在成功连接后能够进行通信。在Linux系统中，通信结果在终端显示。在Windows系统中，通信结果在窗体界面中显示。经测试，两个平台间能够完成无数次的收发操作。若要结束通信，在Linux终端中键入“quit”，即断开连接。

本文阐述了Windows与Linux系统的网络传输设计方法，双方采用TCP/IP协议，运用socket 接口来开发网络通信程序。Windows平台利用C#编写socket程序，并通过窗体界面显示通信过程。Linux平台中的socket程序调用select函数，实现非阻塞操作。套接字使得连接在通信两端的进程，能够通过各自的套接字收发消息，从而实现了两个平台间的全双工通信。目前的通信程序只能传送字符串，要真正实现两个系统之间的资源共享与消息传递，还需要它们之间能够传送文件、照片及视频等大数据量的信息，这将是下一阶段的研究重点。