利用Socket实现双机通信计算机网络课程设计.docx

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利用Socket实现双机通信计算机网络课程设计

1、目录…………………………………………………………………1

2、题目……………………………………………………………2

3、设计任务…………………………………………………2

4、WinSocket简介及特点原理…………………………………2

5、TCP简介及特点原理………………………………………3

6、VisualC++简介………………………………………………7

7、设计方案…………………………………………………8

8、系统的原理框图和程序流程图………………………10

9、实验中的问题…………………………………………………14

10、实验结果及分析………………………………………………14

11、课程设计的总结体会………………………………………16

12、参考文献……………………………………………………16

利用Socket实现双机通信

一、设计任务

1.利用WinSock来实现双机通信，理解TCP状态机图。

2.要求使用WinSock编程，采用其中的TCP面向连接方式，实现文本数据的交换。

二、WinSocket简介及特点原理

2.1、什么是socket

所谓socket通常也称作"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。

应用程序通常通过"套接字"向网络发出请求或者应答网络请求。

Socket接口是TCP/IP网络的API，Socket接口定义了许多函数或例程，程序员可以用它们来开发TCP/IP网络上的应用程序。

要学Internet上的TCP/IP网络编程，必须理解Socket接口。

Socket接口设计者最先是将接口放在Unix操作系统里面的。

如果了解Unix系统的输入和输出的话，就很容易了解Socket了。

网络的Socket数据传输是一种特殊的I/O，Socket也是一种文件描述符。

Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用Socket（），该函数返回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。

常用的Socket类型有两种：

流式Socket（SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。

流式是一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；数据报式Socket是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用。

　　最重要的是，socket是面向客户/服务器模型而设计的，针对客户和服务器程序提供不同的socket系统调用。

客户随机申请一个socket（相当于一个想打电话的人可以在任何一台入网电话上拨号呼叫），系统为之分配一个socket号；服务器拥有全局公认的socket，任何客户都可以向它发出连接请求和信息请求（相当于一个被呼叫的电话拥有一个呼叫方知道的电话号码）。

socket利用客户/服务器模式巧妙地解决了进程之间建立通信连接的问题。

服务器socket半相关为全局所公认非常重要。

不妨考虑一下，两个完全随机的用户进程之间如何建立通信？

假如通信双方没有任何一方的socket固定，就好比打电话的双方彼此不知道对方的电话号码，要通话是不可能的。

2.2、WinSocket的通信原理

WinSock是一个基于Socket模型的API。

WinSock在Windows98，WindowNT中使用。

WinSock一般由两部分组成：

开发组件和运行组件。

开发组件是供程序员在windows环境下开发网络应用程序使用的，它包括应用程序接口库函数、头文件和实现的文档，其中最主要的是WINSOCK.H运行组件是以动态链接库（DlL）来实现socket接口的。

文件名为WINSOCK.DLL应用程序在执行时装入它就能实现网络通信功能

三、TCP简介及特点原理

1.什么是TCP

TCP是一种面向连接（连接导向）的、可靠的、基于字节流的运输层（Transportlayer）通信协议。

在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能。

　　在因特网协议族（Internetprotocolsuite）中，TCP层是位于IP层之上，应用层之下的中间层。

不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。

　　应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分割成适当长度的报文段（通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传送单元（MTU）的限制）。

之后TCP把结果包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。

TCP为了保证不发生丢包，就给每个字节一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。

然后接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据（假设丢失了）将会被重传。

TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误；在发送和接收时都要计算校验和。

　　首先，TCP建立连接之后，通信双方都同时可以进行数据的传输，其次，他是全双工的；在保证可靠性上，采用超时重传和捎带确认机制。

　　在流量控制上，采用滑动窗口协议，协议中规定，对于窗口内未经确认的分组需要重传。

在拥塞控制上，采用慢启动算法。

2.TCP功能

提供计算机程序间连接、检测和丢弃重复的分组、完成数据报的确认、流量控制和网络拥塞。

3.TCP所提供服务的主要特点

（1）面向连接的传输；

（2）端到端的通信；

　　（3）高可靠性，确保传输数据的正确性，不出现丢失或乱序；

　　（4）全双工方式传输；

　　（5）采用字节流方式，即以字节为单位传输字节序列；

（6）紧急数据传送功能。

4.TCP支持的服务器类型

不管怎样,TCP/IP是一个协议集。

为应用提供一些\"低级\"功能,这些包括IP、TCP、UDP。

其它是执行特定任务的应用协议,如计算机间传送文件、发送电子邮件、或找出谁注册到另外一台计算机。

因此,最重要的\"商业\"TCP/IP服务有:

✧文件传送FileTransfer

✧远程登录Remotelogin

✧计算机邮件Mail

✧网络文件系统（NFS）

✧远程打印（Remoteprinting）

✧远程执行（Remoteexecution）

✧名字服务器（Nameservers）

✧终端服务器（Terminalservers）

5.TCP的端口号

　　TCP段结构中端口地址都是16比特，可以有在0~65535范围内的端口号。

对于这65536个端口号有以下的使用规定：

（1）端口号小于256的定义为常用端口，服务器一般都是通过常用端口号来识别的。

任何TCP/IP实现所提供的服务都用1~1023之间的端口号，是由IANA来管理的；

（2）客户端只需保证该端口号在本机上是惟一的就可以了。

客户端口号因存在时间很短暂又称临时端口号；

（3）大多数TCP/IP实现给临时端口号分配1024~5000之间的端口号。

大于5000的端口号是为其他服务器预留的。

6.TCP协议是如何确保数据传输高可靠性

　　为了保证可靠性，发送的报文都有递增的序列号。

序列号和确认号用来确保传输的可靠性。

此外，对每个报文都设立一个定时器，设定一个最大时延。

对那些超过最大时延仍没有收到确认信息的报文就认为已经丢失，需要重传。

7．TCP的服务流程

TCP协议提供的是可靠的、面向连接的传输控制协议，即在传输数据前要先建立逻辑连接，然后再传输数据，最后释放连接3个过程。

TCP提供端到端、全双工通信；采用字节流方式，如果字节流太长，将其分段；提供紧急数据传送功能。

　　尽管TCP和UDP都使用相同的网络层（IP），TCP却向应用层提供与UDP完全不同的服务。

　　TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。

　　面向连接意味着两个使用TCP的应用（通常是一个客户和一个服务器）在彼此交换数据之前必须先建立一个TCP连接。

这一过程与打电话很相似，先拨号振铃，等待对方摘机说“喂”，然后才说明是谁。

　　在一个TCP连接中，仅有两方进行彼此通信。

广播和多播不能用于TCP。

　　TCP通过下列方式来提供可靠性：

　　•应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。

这和UDP完全不同，应用程序产生的数据报长度将保持不变。

由TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段（segment）TCP如何确定报文段的长度。

　　•当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。

如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。

•当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。

这个确认不是立即发送，通常将推迟几分之一秒

　　•TCP将保持它首部和数据的检验和。

这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。

如果收到段的检验和有差错，TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段（希望发端超时并重发）。

　　•既然TCP报文段作为IP数据报来传输，而IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能会失序。

如果必要，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。

　　•既然IP数据报会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据。

　　•TCP还能提供流量控制。

TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。

TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。

这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

　　两个应用程序通过TCP连接交换8bit字节构成的字节流。

TCP不在字节流中插入记录标识符。

我们将这称为字节流服务（bytestreamservice）。

如果一方的应用程序先传10字节，又传20字节，再传50字节，连接的另一方将无法了解发方每次发送了多少字节。

收方可以分4次接收这80个字节，每次接收20字节。

一端将字节流放到TCP连接上，同样的字节流将出现在TCP连接的另一端。

　　另外，TCP对字节流的内容不作任何解释。

TCP不知道传输的数据字节流是二进制数据，还是ASCII字符、EBCDIC字符或者其他类型数据。

对字节流的解释由TCP连接双方的应用层解释。

　　这种对字节流的处理方式与Unix操作系统对文件的处理方式很相似。

Unix的内核对一个应用读或写的内容不作任何解释，而是交给应用程序处理。

对Unix的内核来说，它无法区分一个二进制文件与一个文本文件。

TCP是因特网中的传输层协议，使用三次握手协议建立连接。

当主动方发出SYN连接请求后，等待对方回答SYN，ACK。

这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接，TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。

第一次握手：

建立连接时，客户端发送SYN包（SEQ=x）到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认。

第二次握手：

服务器收到SYN包，必须确认客户的SYN（ACK=x+1）,同时自己也送一个SYN包（SEQ=y）,即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态。

第三次握手：

客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK（ACK=y+1）,此包发送完毕，客户端和服务器时入Established状态，完成三次握手。

四、VisualC++简介

VisualC++是一个功能强大的可视化软件开发工具。

自1993年Microsoft公司推出VisualC++1.0后，随着其新版本的不断问世，VisualC++已成为专业程序员进行软件开发的首选工具。

虽然微软公司推出了VisualC++.NET（VisualC++7.0），但它的应用的很大的局限性，只适用于Windows2000,WindowsXP和WindowsNT4.0。

所以实际中，更多的是以VisualC++6.0为平台。

VisualC++它大概可以分成三个主要的部分：

1、DeveloperStudio，这是一个集成开发环境，我们日常工作的99%都是在它上面完成的，再加上它的标题赫然写着“MicrosoftVisualC++”，所以很多人理所当然的认为，那就是VisualC++了。

其实不然，虽然DeveloperStudio提供了一个很好的编辑器和很多Wizard，但实际上它没有任何编译和链接程序的功能，真正完成这些工作的幕后英雄后面会介绍。

我们也知道，DeveloperStudio并不是专门用于VC的，它也同样用于VB，VJ，VID等VisualStudio家族的其他同胞兄弟。

所以不要把DeveloperStudio当成VisualC++，它充其量只是VisualC++的一个壳子而已。

2、MFC。

从理论上来讲，MFC也不是专用于VisualC++，BorlandC++，C++Builder和SymantecC++同样可以处理MFC。

同时，用VisualC++编写代码也并不意味着一定要用MFC，只要愿意，用VisualC++来编写SDK程序，或者使用STL，ATL，一样没有限制。

不过，VisualC++本来就是为MFC打造的，VisualC++中的许多特征和语言扩展也是为MFC而设计的，所以用VisualC++而不用MFC就等于抛弃了VisualC++中很大的一部分功能。

但是，VisualC++也不等于MFC。

3、PlatformSDK。

这才是VisualC++和整个VisualStudio的精华和灵魂，虽然我们很少能直接接触到它。

大致说来，PlatformSDK是以MicrosoftC/C++编译器为核心（不是VisualC++，看清楚了），配合MASM，辅以其他一些工具和文档资料。

上面说到DeveloperStudio没有编译程序的功能，那么这项工作是由谁来完成的呢？

是CL，是NMAKE，和其他许许多多命令行程序，这些我们看不到的程序才是构成VisualStudio的基石。

五、设计方案

5.1WinSocket通信的步骤：

1.在服务器端的应用程序中的网络通信的步骤如下：

（1）建立服务器端的Socket，开始侦听整个网络中的连接请求。

（2）当检测到来自客户端的连接请求时，向客户端发送收到连接请求的信息，并建立与客户端之间的连接，再继续进入监听状态。

（3）在监听的过程中，如果有用户发出了请求，则服务器会产生一个新的连接Socket来处理用户的请求，而原来的Socket仍然会进行监听操作。

（4）当完成通信后，服务器关闭与客户端的Socket连接。

2.在客户端应用程序中的网络通信的步骤如下：

（1）建立一个客户端的Socket。

（2）从命令行中得到服务器的名字，并进行查询以得到服务器的IP地址；

（3）从命令行中得到服务器所提供的端口号，以便进行下一步的操作；

（4）发送连接请求到服务器，并等待服务器的回馈信息。

（5）连接成功后，与服务器进行数据的交互。

（6）数据处理完毕后，关闭自身的Socket连接，释放进行连接所分配的资源，客户端的程序运行完毕。

5.2、程序中用到的过程函数介绍如下：

1、Socket过程

Socket过程创建一个套接字并返回一个整型描述符：

Descriptor=socket（protofamilytypeprotocol）

其中：

protofamily:

AF-INET表示TCP/IP协议系列

type:

SOCK_STREAM表示面向连接的流传输

SOCK_DGRAM表示无连接的面向消息传输

Protocol:

一般情况下为0

2、Bind过程

在套接字被创建之后，服务器使用Bind过程提供一个传输层地址，服务器将通过它等待通信。

Bind（socketlocaladdraddrlen）

其中：

socket是一个套接字的描述符

localaddr是将要赋予套接字的本地地址，是sockaddr结构。

Addrlen是本地地址的长度

3、Listen过程

服务器调用Listen过程将套接字设为被动模式以使它能被用来等待客户的通信。

Listen（socketqueuesize）

其中：

socket是一个套接字的描述符

queuesize表示该套接字的请求队列的长度，请求队列的存在允许系统在服务器正在处理上一个请求时保存到达的其它请求。

4、Connect过程

客户使用Connect过程与指定服务器建立连接。

Connect（socketsaddresssaddresslen）

其中：

socket是客户端计算机上用于该连接的套接字的描述符

saddress是服务器地址与协议端口号，是sockaddr结构

saddresslen是saddress的长度

5、Accept过程

服务器调用Accept过程来接受客户的一个连接请求

newsock=accept（socketcaddresscaddresslen）

其中：

socket是服务器已经创建并联编于指定协议端口的套接字的描述符

caddress用于存放客户端的地址，是sockaddr结构

caddresslen是一个指向整型的指针，用于存放caddress的长度

6、Send过程

如果套接字已连接，send过程可用来传输数据。

Send（socketdatalengthflags）

其中：

socket是使用的服务器/客户套接字的描述符

data是待发送数据在内存中的地址

length表示数据的字节数

flags包含了请求特殊选项的位，做系统调试用。

7、Recv过程

一个应用可以条用recv从一个连接的套接字接收数据。

Recv（socketbufferlengthflags）

其中：

socket是从中接收数据的服务器/客户套接字的描述符

buffer表示内存中用来存放接收数据的地址

length表示缓冲区的大小

flags包含了请求特殊选项的位，做系统调试用。

8、Close过程

Close过程告诉系统终止对一个套接字的使用。

Close（socket）

其中：

socket是要关闭的套接字的描述符

在Winsock中，用closesocket（socket）来关闭套接字。

六、系统的原理框图和程序流程图

程序流程图：

七、实验中的问题

1、在建立Socket连接时，两端的端口号必须设为一致，否则无法建立连接。

2、建立好连接之后，必须按照给定的格式输入通信信息，即m+输入的信息内容，否则，将会出现“nothiscommand”的提示。

3、如果一个使用某端口的程序没有关闭，另一个程序就不能使用这个端口。

4、必须先连接服务器端，再连接客户端，否则，不能预期将服务器端和客户端连通。

八、实验结果及分析

程序运行后，会出现一个doc窗口，输入“s”，并单击回车，输出“tcpserver…，connectedby127.0.0.1”，此时，服务器连通。

服务器端运行界面如图2所示：

图2服务器端界面

再重新运行这个程序，在新的doc窗口中，输入“c”，并单击回车，输出“tcpclient…，connectedto127.0.0.1”，此时客户端连通。

按规定的输入格式（m+输入的信息）在客户端输入信息，在服务器端窗口内显示出客户端输入的信息。

客户端运行界面如图3所示：

图3客户端运行界面

九、课程设计的总结体会

课程设计终于完成了。

在这段不长的时间里，我感触很深，也学到很多东西。

我对winsock双机通信有了更深的了解和认识，其原理和功能也加深了理解。

TCP协议我们以前也学过相关知识，经过这次设计，相关的知识得到进一步巩固，运用也变得更加熟练。

我学习和了解了有关visualC++中的相关知识和应用，对MicrosoftVisualC++6.0集成开发环境也更加熟悉。

通过这次课程设计，我不仅学习到了新的知识，也对以前学过的相关的知识有了更深入的理解和掌握。

不仅加强了我的理论知识的学习，也增强了我的动手能力，对知识的理解不再局限于表明，理解更加透彻，也更巩固。

以前的学习都是单一方面的知识，这次通过课程设计，将这三个方面的知识综合起来，显然难度是加大了。

开始的时候我也感觉似乎无从下手。

但在网上查找了相关资料，并且请教了一些同学后，有了一些头绪，并着手开始设计和实践。

经过十几天的努力，任务终于圆满完成。

我这次课程设计中，我得到了不少同学的指点和帮助，他们不厌其烦地给我讲解甚至是很简单的问题，也在我迷茫和困惑的时候，给我一两句话，让我幡然顿悟。

我这次任务的完成也有你们的辛苦和功劳，无法在此一一道明，只有一并表示感谢。

谢谢你们！

十、参考文献

1.WINSOCK网络编程实用教程李凌清华大学出版社2003

2.WINDOWS网络编程之VB篇萧秋水文娟清华大学出版社2001

3.WINDOWS网络编程技术AnthonyJones机械工业出版社2000