基于UDP通信方式的系统时间采集.docx
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基于UDP通信方式的系统时间采集
《C/S编程与应用》课程设计报告
题目:
基于UDP通信方式的系统时间采集
专业:
计算机应用技术20级
学号:
姓名:
20年月日
一、课程设计的目的和要求
1.加深对于UDP协议的理解;
2.熟悉UDP通信方式的基本流程;
3.认清UDP通信与TCP通信的不同;
4.能够进行socket编程实现通信。
二、课程设计任务
整个课程设计的任务分为两部分:
1.服务器设置在Windows下,而客户端则设置在Ubuntu中。
正确采集Windows下系统的当前时间,将该时间转化为可以在网络中可传输的字节序,通过使用UDP的通信方式发送出去。
而客户端,收到数据,转化主机字节序,再转化为时间格式,显示。
2.服务器设置在Ubuntu下,而客户端则设置在了Windows中。
正确采集Ubuntu下系统的当前时间,将该时间转化为可以在网络中可传输的字节序,通过使用UDP的通信方式发送出去。
而客户端,收到数据,转化主机字节序,再转化为时间格式,显示。
三、设计分析
1.如何获得正确的系统时间?
time函数获得日历时间。
日历时间,是用“从一个标准时间点到此时的时间经过的秒数”来表示的时间。
这个标准时间点对不同的编译器来说会有所不同,但对一个编译系统来说,这个标准时间点是不变的,该编译系统中的时间对应的日历时间都通过该标准时间点来衡量,所以可以说日历时间是“相对时间”,但是无论你在哪一个时区,在同一时刻对同一个标准时间点来说,日历时间都是一样的。
如何给出了一个简单的获得系统当前时间的程序。
#include
#include
voidmain()
{
time_tnNow;
(void)time(&nNow);
printf("%ld",nNow);
printf("%s",ctime(&nNow));
}
2.基于UDP(面向无连接)的socket编程
(1)端口
n按照OSI七层模型的描述,传输层提供进程(应用程序)通信的能力。
为了标识通信实体中进行通信的进程(应用程序),TCP/IP协议提出了协议端口(protocolport,简称端口)的概念。
端口是一种抽象的软件结构(包括一些数据结构和I/O缓冲区)。
应用程序通过系统调用与某端口建立连接(binding)后,传输层传给该端口的数据都被相应的进程所接收,相应进程发给传输层的数据都通过该端口输出。
端口用一个整数型标识符来表示,即端口号。
端口号跟协议相关,TCP/IP传输层的两个协议TCP和UDP是完全独立的两个软件模块,因此各自的端口号也相互独立。
端口使用一个16位的数字来表示,它的范围是0~65535,1024以下的端口号保留给预定义的服务。
例如:
http使用80端口。
此次课程设计将端口设置为6000。
(2)套接字(socket)的引入
n为了能够方便的开发网络应用软件,由美国伯克利大学在Unix上推出了一种应用程序访问通信协议的操作系统调用socket(套接字)。
socket的出现,使程序员可以很方便地访问TCP/IP,从而开发各种网络应用的程序。
随着Unix的应用推广,套接字在编写网络软件中得到了极大的普及。
后来,套接字又被引进了Windows等操作系统,成为开发网络应用程序的非常有效快捷的工具。
套接字存在于通信区域中。
通信区域也叫地址族,它是一个抽象的概念,主要用于将通过套接字通信的进程的共有特性综合在一起。
套接字通常只与同一区域的套接字交换数据(也有可能跨区域通信,但这只在执行了某种转换进程后才能实现)。
WindowsSockets只支持一个通信区域:
网际域(AF_INET),这个域被使用网际协议簇通信的进程使用。
(3)网络字节顺序
不同的计算机存放多字节值的顺序不同,有的机器在起始地址存放低位字节(低位先存),有的机器在起始地址存放高位字节(高位先存)。
基于Intel的CPU,即我们常用的PC机采用的是低位先存。
为保证数据的正确性,在网络协议中需要指定网络字节顺序。
TCP/IP协议使用16位整数和32位整数的高位先存格式。
(4)客户机/服务器模式
n在TCP/IP网络应用中,通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户机/服务器模式(client/server),即客户向服务器提出请求,服务器接收到请求后,提供相应的服务。
客户机/服务器模式的建立基于以下两点:
首先,建立网络的起因是网络中软硬件资源、运算能力和信息不均等,需要共享,从而造就拥有众多资源的主机提供服务,资源较少的客户请求服务这一非对等作用。
其次,网间进程通信完全是异步的,相互通信的进程间既不存在父子关系,又不共享内存缓冲区,因此需要一种机制为希望通信的进程间建立联系,为二者的数据交换提供同步,这就是基于客户机/服务器模式的TCP/IP。
客户机/服务器模式在操作过程中采取的是主动请求的方式。
(5)通信的基本流程
首先服务器方要先启动,并根据请求提供相应的服务:
服务器:
①打开一个通信通道并告知本地主机,它愿意在某一地址和端口上接收客户请求。
②等待客户请求到达该端口。
③接收到重复服务请求,处理该请求并发送应答信号。
接收到并发服务请求,要激活一个新的进程(或线程)来处理这个客户请求。
新进程(或线程)处理此客户请求,并不需要对其它请求作出应答。
服务完成后,关闭此新进程与客户的通信链路,并终止。
④返回第二步,等待另一客户请求。
⑤关闭服务器。
客户方:
①打开一个通信通道,并连接到服务器所在主机的特定端口。
②向服务器发服务请求报文,等待并接收应答;继续提出请求。
③请求结束后关闭通信通道并终止。
(6)WindowsSockets的实现
nWindowsSockets是MicrosoftWindows的网络程序设计接口,它是从BerkeleySockets扩展而来的,以动态链接库的形式提供给我们使用。
WindowsSockets在继承了BerkeleySockets主要特征的基础上,又对它进行了重要扩充。
这些扩充主要是提供了一些异步函数,并增加了符合Windows消息驱动特性的网络事件异步选择机制。
WindowsSockets1.1和BerkeleySockets都是基于TCP/IP协议的;WindowsSockets2从WindowsSockets1.1发展而来,与协议无关并向下兼容,可以使用任何底层传输协议提供的通信能力,来为上层应用程序完成网络数据通讯,而不关心底层网络链路的通讯情况,真正实现了底层网络通讯对应用程序的透明。
(7)套接字的类型
n流式套接字(SOCK_STREAM)
提供面向连接、可靠的数据传输服务,数据无差错、无重复的发送,且按发送顺序接收。
数据报式套接字(SOCK_DGRAM)
提供无连接服务。
数据包以独立包形式发送,不提供无错保证,数据可能丢失或重复,并且接收顺序混乱。
原始套接字(SOCK_RAW)。
(8)基于UDP(面向无连接)的socket编程
服务器端(接收端)程序:
1、创建套接字(socket)。
2、将套接字绑定到一个本地地址和端口上(bind)。
3、等待接收数据(recvfrom)。
4、关闭套接字。
客户端(发送端)程序:
1、创建套接字(socket)。
2、向服务器发送数据(sendto)。
3、关闭套接字。
(9)相关函数说明
intWSAStartup(WORDwVersionRequested,LPWSADATAlpWSAData);
wVersionRequested参数用于指定准备加载的Winsock库的版本。
高位字节指定所需要的Winsock库的副版本,而低位字节则是主版本。
可用MAKEWORD(x,y)(其中,x是高位字节,y是低位字节)方便地获得wVersionRequested的正确值。
lpWSAData参数是指向WSADATA结构的指针,WSAStartup用其加载的库版本有关的信息填在这个结构中。
WSADATA结构定义如下:
typedefstructWSAData{
WORDwVersion;
WORDwHighVersion;
charszDescription[WSADESCRIPTION_LEN+1];
charszSystemStatus[WSASYS_STATUS_LEN+1];
unsignedshortiMaxSockets;
unsignedshortiMaxUdpDg;
charFAR*lpVendorInfo;
}WSADATA,*LPWSADATA;
WSAStartup把第一个字段wVersion设成打算使用的Winsock版本。
wHighVersion参数容纳的是现有的Winsock库的最高版本。
记住,这两个字段中,高位字节代表的是Winsock副版本,而低位字节代表的则是Winsock主版本。
szDescription和szSystemStatus这两个字段由特定的Winsock实施方案设定,事实上没有用。
不要使用下面这两个字段:
iMaxSockets和iMaxUdpDg,它们是假定同时最多可打开多少套接字和数据报的最大长度。
然而,要知道数据报的最大长度应该通过WSAEnumProtocols来查询协议信息。
同时最多可打开套接字的数目不是固定的,很大程度上和可用物理内存的多少有关。
最后,lpVendorInfo字段是为Winsock实施方案有关的指定厂商信息预留的。
任何一个Win32平台上都没有使用这个字段。
如果WinSock.dll或底层网络子系统没有被正确初始化或没有被找到,WSAStartup将返回WSASYSNOTREADY。
此外这个函数允许你的应用程序协商使用某种版本的WinSock规范,如果请求的版本等于或高于DLL所支持的最低版本,WSAData的wVersion成员中将包含你的应用程序应该使用的版本,它是DLL所支持的最高版本与请求版本中较小的那个。
反之,如果请求的版本低于DLL所支持的最低版本,WSAStartup将返回WSAVERNOTSUPPORTED。
关于WSAStartup更详细的信息,请查阅MSDN中的相关部分。
对于每一个WSAStartup的成功调用(成功加载WinSockDLL后),在最后都对应一个WSACleanUp调用,以便释放为该应用程序分配的资源。
SOCKETsocket(intaf,inttype,intprotocol);
该函数接收三个参数。
第一个参数af指定地址族,对于TCP/IP协议的套接字,它只能是AF_INET(也可写成PF_INET)。
第二个参数指定Socket类型,对于1.1版本的Socket,它只支持两种类型的套接字,SOCK_STREAM指定产生流式套接字,SOCK_DGRAM产生数据报套接字。
第三个参数是与特定的地址家族相关的协议,如果指定为0,那么它就会根据地址格式和套接字类别,自动为你选择一个合适的协议。
这是推荐使用的一种选择协议的方法。
如果这个函数调用成功,它将返回一个新的SOCKET数据类型的套接字描述符。
如果调用失败,这个函数就会返回一个INVALID_SOCKET,错误信息可以通过WSAGetLastError函数返回。
intbind(SOCKETs,conststructsockaddrFAR*name,intnamelen);
这个函数接收三个参数。
第一个参数s指定要绑定的套接字,第二个参数指定了该套接字的本地地址信息,是指向sockaddr结构的指针变量,由于该地址结构是为所有的地址家族准备的,这个结构可能(通常会)随所使用的网络协议不同而不同,所以,要用第三个参数指定该地址结构的长度。
sockaddr结构定义如下:
structsockaddr{
u_shortsa_family;
charsa_data[14];
};
sockaddr的第一个字段sa_family指定该地址家族,在这里必须设为AF_INET。
sa_data仅仅是表示要求一块内存分配区,起到占位的作用,该区域中指定与协议相关的具体地址信息。
由于实际要求的只是内存区,所以对于不同的协议家族,用不同的结构来替换sockaddr。
除了sa_family外,sockaddr是按网络字节顺序表示的。
在TCP/IP中,我们可以用sockaddr_in结构替换sockaddr,以方便我们填写地址信息。
sockaddr_in的定义如下:
structsockaddr_in{
shortsin_family;
unsignedshortsin_port;
structin_addrsin_addr;
charsin_zero[8];
};
其中,sin_family表示地址族,对于IP地址,sin_family成员将一直是AF_INET。
成员sin_port指定的是将要分配给套接字的端口。
成员sin_addr给出的是套接字的主机IP地址。
而成员sin_zero只是一个填充数,以使sockaddr_in结构和sockaddr结构的长度一样。
如果这个函数调用成功,它将返回0。
如果调用失败,这个函数就会返回一个SOCKET_ERROR,错误信息可以通过WSAGetLastError函数返回。
将IP地址指定为INADDR_ANY,允许套接字向任何分配给本地机器的IP地址发送或接收数据。
多数情况下,每个机器只有一个IP地址,但有的机器可能会有多个网卡,每个网卡都可以有自己的IP地址,用INADDR_ANY可以简化应用程序的编写。
将地址指定为INADDR_ANY,允许一个独立应用接受发自多个接口的回应。
如果我们只想让套接字使用多个IP中的一个地址,就必须指定实际地址,要做到这一点,可以用inet_addr()函数,这个函数需要一个字符串作为其参数,该字符串指定了以点分十进制格式表示的IP地址(如192.168.0.16)。
而且inet_addr()函数会返回一个适合分配给S_addr的u_long类型的数值。
inet_ntoa()函数会完成相反的转换,它接受一个in_addr结构体类型的参数并返回一个以点分十进制格式表示的IP地址字符串。
intrecvfrom(SOCKETs,charFAR*buf,intlen,intflags,structsockaddrFAR*from,intFAR*fromlen);
s:
标识一个已连接套接口的描述字。
buf:
接收数据缓冲区。
len:
缓冲区长度。
flags:
调用操作方式
from:
(可选)指针,指向装有源地址的缓冲区。
fromlen:
(可选)指针,指向from缓冲区长度值。
本函数由于从(已连接)套接口上接收数据,并捕获数据发送源的地址。
intsendto(SOCKETs,constcharFAR*buf,intlen,intflags,conststructsockaddrFAR*to,inttolen);
s套接字。
buff待发送数据的缓冲区。
size缓冲区长度。
Flags调用方式标志位,一般为0,改变Flags,将会改变Sendto发送的形式addr(可选)指针,指向目的套接字的地址。
lenaddr所指地址的长度。
u_shorthtons(u_shorthostshort);
htons是把你机器上的整数转换成“网络字节序”,网络字节序是big-endian,也就是整数的高位字节存放在内存的低地址处。
而我们常用的x86CPU(intel,AMD)电脑是little-endian,也就是整数的低位字节放在内存的低字节处。
u_longntohl(u_longnetlong);
本函数将一个32位数由网络字节顺]序转换为主机字节顺序。
ntohl()返回一个以主机字节顺序表达的数。
四、程序代码
1.Windows中运行的客户端源程序:
#include
#include
#include
#include
#defineUNIXEPOCH2208988800UL/*UNIXepoch,inUCTsecs*/
voidmain(intargc,char*argv[])
{
time_ttemp;
WORDwVersionRequested;
WSADATAwsaData;
interr;
wVersionRequested=MAKEWORD(1,1);
err=WSAStartup(wVersionRequested,&wsaData);
if(err!
=0)
return;
if(LOBYTE(wsaData.wVersion)!
=1||HIBYTE(wsaData.wVersion)!
=1)
{
WSACleanup();
return;
}
SOCKETsockClient=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
SOCKADDR_INaddrSrv;
addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr(argv[1]);
printf("%s",argv[1]);
addrSrv.sin_family=AF_INET;
addrSrv.sin_port=htons(6000);
intlen=sizeof(SOCKADDR);
sendto(sockClient,"Hello",strlen("Hello")+1,0,(SOCKADDR*)&addrSrv,len);
recvfrom(sockClient,(char*)&temp,sizeof(temp),0,(SOCKADDR*)&addrSrv,
&len);
temp=ntohl((unsignedlong)temp);
temp-=UNIXEPOCH;
printf("%s",ctime(&temp));
closesocket(sockClient);
WSACleanup();
}
2.Windows中运行的服务器源程序:
#include
#include
#include
#include
#defineUNIXEPOCH2208988800UL/*UNIXepoch,inUCTsecs*/
voidmain()
{
WORDwVersionRequested;
WSADATAwsaData;
interr;
wVersionRequested=MAKEWORD(1,1);
err=WSAStartup(wVersionRequested,&wsaData);
if(err!
=0)
return;
if(LOBYTE(wsaData.wVersion)!
=1||HIBYTE(wsaData.wVersion)!
=1)
{
WSACleanup();
return;
}
SOCKETsockSrv=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
SOCKADDR_INaddrSrv;
addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr=htonl(INADDR_ANY);
addrSrv.sin_family=AF_INET;
addrSrv.sin_port=htons(6000);
bind(sockSrv,(SOCKADDR*)&addrSrv,sizeof(SOCKADDR));
SOCKADDR_INaddrClient;
intlen=sizeof(SOCKADDR);
while
(1)
{
time_ttemp;
charrecvBuf[16];
recvfrom(sockSrv,recvBuf,16,0,(SOCKADDR*)&addrClient,&len);
printf("%s",recvBuf);
(void)time(&temp);
printf("%d\n",temp);
temp=htonl((unsignedlong)(temp+UNIXEPOCH));
sendto(sockSrv,(char*)&temp,sizeof(temp),0,(SOCKADDR*)&addrClient,len);
}
closesocket(sockSrv);
WSACleanup();
}
五、实验结果
1.服务器与客户端同在Windows下的运行结果如下:
(1)服务器端结果:
结果分别:
客户端给服务器一个“Hello”的相应,同时客户端显示1970年到当前时间的秒数。
(2)客户端结果:
结果分别是:
显示所要访问的IP地址以及采集到的系统时间为
。
2.服务器运行在Ubuntu中,客户端运行在Windows中。
(1)服务器结果:
(2)客户端结果:
3.服务器运行在Windows中,客户端运行在Ubuntu中。
(1)服务器结果:
(2)客户端结果:
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