计算机网络实验

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抵沈
4 years ago
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1 计算机网络课程设计

2 成绩评定 : 总评成绩 : 考勤 20%+ 提问 60%+ 课设报告 20% 2

3 选题方式 : 选题的题号 : 学号位数模 5+1: 比如 : 刘子豪同学的选题为 : 2%6+1=3 刘子豪同学的选题为第 3 题 3

4 题目 : 题目 1: 基于 TCP 协议的简易聊天机器人题目 2: 基于 TCP 协议的通讯录题目 3: 基于 UDP 协议的简易聊天机器人题目 4: 标准 C 语言实现简单 Web 服务器题目 5: 标准 c 语言实现 CGI 通讯录题目 6:div+css 网页页面效果制作备选 : 基于图灵机器人 API 的聊天机器人程序课程设计网站 : 4

5 Windows Socket 编程课程设计目的 Winsock 基本概念 Socket 编程接口 TCP/IP 网络程序框架与示例 5

6 课程设计目的通过编程了解 Client/Server 结构的网络通信模型掌握 Socket 机制的工作原理掌握基于 Client/Server 结构的 Windows Socket TCP/UDP 程序设计方法 6

7 Client-Server 结构在 TCP/IP 网络环境下, 不同主机上的两个应用程序通信普遍采用客户端 - 服务器模型 (client-server architecture, C/S) Client 在需要服务时向 server 提出申请 Server 等待 client 提出请求并予以相应 Server 始终运行, 监听网络接口收到 client 请求启动服务进程响应客户, 同时继续监听服务窗口, 保证后续的 client 也能及时得到服务 7

8 Windows Socket 基本概念使用局域网打游戏用浏览器连接外网看视频使用 QQ 与好友通信手机连接 wifi 传数据等等需要一种通用的网络编程接口 :Socket socket 是底层抽象给应用层所使用的一套接口函数 8

9 Winsock Winsock 是一个基于 Socket 模型的 API, 在 Windows 系统中广泛使用它在 Berkeley 接口函数的基础上, 还增加了基于消息驱动机制的 Windows 扩展函数 Winsock1.1 只支持 TCP/IP 网络,Winsock2.2 增加了对更多协议的支持

10 Winsock(2) 需要包含头文件 Winsock2.h, 需要使用库 wsock32.lib, 包含办法可以用语句来告诉编译时调用该库 #pragma comment(lib, wsock32.lib );

11 Winsock 初始化函数使用 Winsock API 编制的网络应用程序中, 在调用任何一个 Winsock 函数之前都必须检查协议栈安装情况, 使用函数 WSAStartup() 完成操作 int WSAStartup( ); WORD wversionrequested, LPWSADATA lpwsadata wversionrequested 是一个 WORD 型 ( 双字节型 ) 数值, 指定使用的版本号, 对 Winsock2.2 而言, 此参数的值为 0x0202, 也可以用宏 MAKEWORD(2,2) 来获得 lpwsadata 是一个指向 WSADATA 结构的指针, 它返回关于 Winsock 实现的详细信息

12 Winsock 启动示例 #include <Winsock2.h> WORD wversionrequested; WSADATA wsadata; wversionrequested=makeword(2,2); if(wsastartup(wversionrequested,&wsadata)!=0) { //Winsock 初始化错误 return; } if(wsadata.wversion!=wversionrequested) { //Winsock 版本不匹配 WSACleanup(); return; } // 说明 WinsockDLL 正确加载, 可以执行以下代码

13 创建套接口 socket() 应用程序在使用套接口通信前, 必须要拥有一个套接口, 使用 socket() 函数来给应用程序创建一个套接口 SOCKET socket( ); int af, int type, int protocol

14 socket() 参数说明 af 参数说明套接字接口要使用的协议地址族, 地址族与协议族含义相同如果想建立一个 TCP 或 UDP, 只能用常量 AF_INET 表示使用互联网协议 (IP) 地址 Winsock 还支持其他协议, 但一般很少使用 type 参数描述套接口的类型,af 是 AF_INET 的时候只能为 SOCK_STREAM SOCK_DGRAM 或 SOCK_RAW protocol 说明该套接口使用的特定协议, 当协议地址族 af 和协议类型 type 确定后, 协议字段可以使用的值是限定的协议地址族套接口类型套接口类型使用的值协议字段互联网协议 (IP) AF_INET TCP SOCK_STREAM IPPROTO_TCP UDP SOCK_DGRAM IPPROTO_UDP Raw SOCK_RAW IPPROTO_RAW IPPROTO_ICMP

15 指定本地地址 -bind() 当 socket() 创建了一个套接口后, 需要将该套接口与该主机上提供服务的某端口联系在一起,bind() 函数用于完成这样的绑定 int bind( ); SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen

16 bind() 参数说明 s 标识一个未绑定的套接口描述字, 它是 socket() 函数调用成功时返回的值 name 是一个与指定协议有关的地址结构指针, 存储了套接口的地址信息,Winsock 中使用 sockaddr_in 结构指定 IP 地址和端口信息 struct sockaddr_in{ short u_short struct in_addr char sin_family; sin_port; sin_addr; sin_zero[8]; } sin_family 一般为 AF_INET, 表示使用 IP 地址族 ;sin_port 是以网络字节序表示的 16 位端口号 ;sin_addr 是网络字节序的 32 位 IP 地址 ;sin_zero 字段一般不用, 用 0 填充 namelen 表示地址参数 (name) 的长度 IP 地址参数为 INADDR_ANY, 则由系统内核来自动指定,port 为 0, 则由系统自动指派一个 1024~5000 之间惟一的端口号

17 举例说明如何在一个 TCP 连接上进行套接字绑定 : SOCKET s; Struct sockaddr_in tcpaddr; int port=5150; int nsockerr; s = socket(af_inet, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); tcpaddr.sin_family = AF_INET; tcpaddr_sin_port = htons(port); tcpaddr.sin_addr.s_addr = htonl(inaddr_any); // 调用 bind 函数分配地址 if( bind(s,(sockaddr *)&tcpaddr,sizeof(tcpaddr))==socket_error) nsockerr=wsagetlasterror(); // 处理错误本例中, 先创建了一个套接字, 然后设置了 IP 地址, 最后把套接字绑定到默认 IP 地址的 5150 端口上 IP 地址为常量 INADDR_ANY, 就是指定地址为的地址, 这个地址表示不确定地址, 或所有地址任意地址一般来说, 在各个系统中均定义成为 0 值表示允许服务进程监听主机上面每个网络接口上的客户机活动

18 服务器端启动监听 -listen() 函数在一个服务器端用 socket() 调用成功创建了一个套接口, 并用 bind() 函数和一个指定的地址关联后, 就需要指示该套接口进入监听连接请求状态, 这需要通过 listen() 函数来实现 int listen( ); SOCKET s, int backlog s 代表一个已绑定了地址, 但还未建立连接的套接口描述字 backlog 指定了正在等待连接的最大队列长度

19 客户端请求连接 -connect() 函数当服务器端建立好套接口并与一个本地地址绑定后, 就进入监听状态, 等待客户发出连接请求在客户端套接口建立好之后, 就调用 connect() 函数来与服务器建立连接 int connect( ); SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen

20 connect() 函数参数说明 s 将要建立连接的套接口描述字 name 是一个指向远端套接口地址结构 (sockaddr_in) 的指针, 表示 s 套接口欲与其建立一条连接 namelen 是服务器端的地址长度, 即 name 的长度

21 Connect() 函数的说明在客户端使用该函数请求建立连接时, 将激活建立连接的三次握手, 用来建立一条到服务器 TCP 的连接如果调用该函数前没有调用 bind() 来绑定本地地址, 则由系统隐式绑定一个地址到该套接口该函数用在 UDP 的客户端时,connect() 函数并不是真正地发出建立请求连接的请求, 调用将从本地操作系直接返回这样可以将服务器的地址信息保存下来, 在后续 UDP 端口发送数据时, 由套接口自动在发送函数中填入服务器地址, 而不需要由应用程序在调用发送函数时填入

22 服务器端接受连接 -accept() 函数在服务器端通过 listen() 函数调用表示服务器进入监听客户的连接请求状态, 而在服务器端调用 accept() 函数时表示可以接收来自客户端由 connect() 发出的连接请求, 双方进入连接状态 SOCKET accept( SOCKET s, struct sockaddr FAR * addr, int FAR * addrlen );

23 accept() 函数参数说明 s 标识一个套接字, 该套接口处于监听状态 addr 是一个地址结构的指针, 用来存放发出连接请求的那个客户机的 IP 地址信息 addrlen 指出客户套接口地址结构的长度函数说明 : 该函数用于面向连接的服务器端, 在 IP 协议族中, 只用于 TCP 服务器端

24 发送数据 -send() 函数在已经建立连接的套接口上发送数据, 可以使用 send() 函数 int send( ); SOCKET s, const char FAR * buf, int len, int flags

25 send() 函数参数说明 s 用于标识已建立连接的套接字 buf 是一个字符缓冲区, 内有将要发送的数据 len 即将发送的缓冲区中的字符数 flags 用于控制数据传输方式,0 表示按正常方式发送数据 ; 宏 MSG_DONTROUTE 说明系统目标主机就在直接连接的本地网络中, 无需路由选择 ; MSG_OOB 指出数据是按带外数据发送的函数说明 :send() 函数适用于已建立连接的数据报或流式套接口发送数据, 对于数据报类型套接口必须注意发送数据长度不大于通信子网的 IP 包最大长度

26 接收数据 -recv() 函数对于已建立连接的套接口来说, 要从套接口上接收数据, 就要使用 recv() 函数 int recv( ); SOCKET s, char FAR * buf, int len, int flags

27 recv() 函数参数说明 s 为已建立连接的套接口 buf 为用于接收数据的缓冲区 len 为缓冲区的长度 flags 指定调用的方式 0 表示接收的是正常数据, 无特殊行为 MSG_PEEK 表示会使有用的数据复制到所提供的接收端缓冲区内, 但是没有从系统缓冲区中将数据删除 MSG_OOB 表示处理带外数据

28 无连接的套接口上接收数据 - recvfrom() 对于无连接的套接口来说, 要从套接口上接收一个数据报并保存发送数据的源地址, 就要使用 recvfrom() 函数 int recvfrom( SOCKET s, char FAR * buf, int len, int flags, struct sockaddr FAR * from, int FAR * fromlen );

29 recvfrom() 函数参数说明 s 标识一个套接口的描述字 buf 接收数据的缓冲区 len 接收数据缓冲区的长度 flags 调用操作方式, 同 recv() 中的 flags from 可选指针, 指向装有源地址的缓冲区 fromlen 可选指针, 指向 from 缓冲区的长度值函数说明 : 该函数的用法与有连接时 recv() 的用法一致, 要注意的是该函数也可以用于有连接时数据的接收

30 在无连接套接口上发送数据 -sendto() 对于无连接的套接口来说, 要从套接口上发送一个数据报, 就要使用 sendto() 函数 int sendto( SOCKET s, const char FAR * buf, int len, int flags, const struct sockaddr FAR * to, int tolen );

31 sendto() 函数参数说明 s 本机的套接字 buf 待发送数据的缓冲区 len 指明 buf 缓冲区中要发送的数据长度 flags 调用方式标志位, 同 send() 中的 flags to 可选指针, 指向接收数据的目的套接口地址 tolen 是 to 所指的地址的长度函数说明 : 该函数的使用方法类似 send() 函数, 当用于无连接套接字接口, 调用函数前要设置, 指出目标 IP 地址和目标端口号如果用于有连接的套接口时, 则不能指定目标地址和目标端口, 将 to 设置为空, 地址长度设为 0 当然在有连接的情况下很少使用该函数

32 关闭读写通道 - closesocket() 函数在一个套接口上的读写操作完成后, 应该首先使用 shutdown() 函数来关闭套接口的读通道写通道或读写通道, 这样做的好处是当双方不再有数据要发送或接收时, 可以通知对方, 以防止数据丢失, 并能优雅地关闭连接 int shutdown( ); SOCKET s

33 IP 地址转换函数 char * inet_ntoa ( struct in_addr in ) in 为传入参数, 表示一个结构型的 IP 主机地址, 该函数将一个 32 位数字表示的 IP 地址转换成点分十进制 IP 地址字符串 unsigned long inet_addr(const char FAR * cp) 该函数将一个点分十进制 IP 地址字符串转换成 32 位数字表示的 IP 地址两函数互为反函数

34 字节序转换函数 u_long htonl( u_long hostlong ) 4 字节主机字节序表示的整数转换为 4 字节相应的网络字节序表示的整数 u_short htons( u_short hostshort ) 2 字节主机字节序表示的整数转换为 2 字节相应的网络字节序表示的整数 u_long ntohl( u_long netlong ) 4 字节网络字节序表示的整数转换为 4 字节相应的主机字节序表示的整数 u_short ntohs( u_short netshort ) 2 字节网络字节序表示的整数转换为 2 字节相应的主机字节序表示的整数

35 终止使用 -WSACleanup() 函数当应用程序不再使用 Winsock API 中的任何函数时, 必须调用 WSACleanup() 将其从 Windows Socket 的实现中注销, 以释放为此应用程序或 DLL 分配的任何资源 int WSACleanup(void); 函数说明 :WSACleanup() 函数是任何一个 Winsock 应用程序在最后必须要调用的函数在一个多线程的环境下,WSACleanup() 函数中止了 Windows Sockets 在所有线程上的操作

36 TCP/IP 网络程序框架面向连接的 C/S 程序工作流程无连接的 C/S 程序工作流程

37 面向连接的 C/S 程序工作流程 (TCP) 服务器端工作流程使用 WSAStartup() 函数检查系统协议栈安装情况使用 socket() 函数创建服务器端通信套接口使用 bind() 函数将创建的套接口与服务器地址绑定使用 listen() 函数使服务器套接口做好接收连接请求准备使用 accept() 接收来自客户端由 connect() 函数发出的连接请求根据连接请求建立连接后, 使用 send() 函数发送数据, 或者使用 recv() 函数接收数据使用 closesocket() 函数关闭套接口 ( 可以先用 shutdown() 函数先关闭读写通道 ) 最后调用 WSACleanup() 函数结束 Winsock Sockets API

38 面向连接的 C/S 程序工作流程 (TCP) 客户端程序工作流程使用 WSAStartup() 函数检查系统协议栈安装情况使用 socket() 函数创建客户端套接口使用 connect() 函数发出也服务器建立连接的请求 ( 调用前可以不用 bind() 端口号, 由系统自动完成 ) 连接建立后使用 send() 函数发送数据, 或使用 recv() 函数接收数据使用 closesocet() 函数关闭套接口最后调用 WSACleanup() 函数, 结束 Winsock Sockets API

39 面向连接的 C/S 程序工作流程图 (TCP) WSAStartup() socket() bind() WSAStartup() listen() 等待客户连接请求的到来三次握手过程建立 TCP 连接 socket() connect() accept() recv() send() closesocket() 交换数据交换数据关闭 TCP 连接 send() recv() closesocket() WSACleanup() 服务器端 WSACleanup() 客户端

40 无连接的 C/S 程序工作流程 (UDP) 无连接的数据报传输服务通信时, 客户端与服务器端所使用的函数是类似的, 其工作流程如下 : 使用 WSAStartup() 函数检查系统协议栈的安装情况使用 socket() 函数创建套接口, 以确定协议类型调用 bind() 函数将创建的套接口与本地地址绑定, 确定本地地址和本地端口号使用 sendto() 函数发送数据, 或者使用 recvfrom() 函数接收数据使用 closesocket() 函数关闭套接口调用 WSACleanup() 函数, 结束 Windows Sockets API

41 无连接的 C/S 程序工作流程 (UDP) 注意事项 : 通信的一方可以不用 bind() 绑定地址和端口, 由系统分配不绑定 IP 地址和端口号的一方必须首先向绑定地址的一方发送数据无连接的应用程序也可以调用 connect() 函数, 但是它并不向对方发出建立连接的请求, 而是在本地返回, 由内核将 connect() 中指定的目标 IP 地址和端口号记录下来, 在以后的通信中就可以使用面向连接的数据发送函数 send() 和数据接收函数 recv() 无连接的数据报传输过程中, 作为服务器的一方必须先启动无连接客户端一般不调用 connect(), 在数据发送前客户与服务器各自通过 socket() 和 bind() 建立了半相关, 发送数据时除指定本地套接口的地址外, 还需要指定接收方套接口地址, 从而在数据收发过程中动态建立全连接

42 无连接的 C/S 程序工作流程图 (UDP) WSAStartup() WSAStartup() socket() socket() bind() recvfrom() sendto() 交换数据交换数据 bind() sendto() recvfrom() closesocket() closesocket() WSACleanup() 服务器 WSACleanup() 客户端

43 会话通信程序实例 1 例 : 该实例完成一个服务器端和客户端简单的会话通信过程要求主机上安装 TCP/IP 协议, 服务器端和客户端使用一台主机或不同主机, 从客户端发一个消息给服务端服务器端客户端

44 会话通信程序实例 1 程序中所包含的头文件 : Winsock.h :Winsock 头文件, 版本 1.1 使用 Winsock.h, 版本 2 使用 Winsock2.h windows.h : 创建一个 Windows console 程序所必需的头文件 #pragma comment(lib, "wsock32.lib"): 指定连接的库文件版本 Winsock 1.1 使用 wsock32.lib, 版本 Winsock 2 使用 ws2_32.lib

45 基于 TCP 的客户 / 服务器 - 服务器代码 #include <Winsock2.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define DEFAULT_PORT 5050 // 服务端默认端口 #pragma comment(lib, " wsock32.lib ") Int main(int argc, char* argv[]) { int iport = DEFAULT_PORT; WSADATA wsadata; SOCKET slisten,saccept; int ilen; // 客户地址长度 int isend;// 发送数据长度 char buf[] = "I am a server";// 要发送给客户的信息 struct sockaddr_in ser,cli;// 服务器和客户的地址 if(wsastartup(makeword(2,2),&wsadata)!=0) { printf("failed to load Winsock.\n"); return -1; }

46 基于 TCP 的客户 / 服务器 - 服务器代码 slisten = socket(af_inet,sock_stream,0);// 创建服务器端套接口 if(slisten == INVALID_SOCKET) { printf("socket() Failed: %d\n",wsagetlasterror()); return -1; } // 以下建立服务器端地址 // 使用 IP 地址族 ser.sin_family = AF_INET; // 使用 htons() 把双字节主机序端口号转换为网络字节序端口号 ser.sin_port = htons(iport); //htonl() 把一个四字节主机序 IP 地址转换为网络字节序主机地址 // 使用系统指定的 IP 地址 INADDR_ANY ser.sin_addr.s_addr = htonl(inaddr_any); //bind() 函数进行套接定与地址的绑定 if(bind(slisten,(lpsockaddr)&ser,sizeof(ser)) == SOCKET_ERROR) { printf("bind() Failed: %d\n",wsagetlasterror()); return -1; }

47 基于 TCP 的客户 / 服务器 - 服务器代码 // 进入监听状态 if(listen(slisten,5) == SOCKET_ERROR) { printf("lisiten() Failed: %d\n",wsagetlasterror()); return -1; } // 初始化客户地址长度参数 ilen = sizeof(cli); // 进入一个无限循环, 等待客户的连接请求 while(1) { saccept = accept(slisten,(struct sockaddr *)&cli,&ilen); if(saccept == INVALID_SOCKET) { printf("accept() Failed: %d\n",wsagetlasterror()); return -1; } // 输出客户 IP 地址和端口号 printf("accepted client IP:[%s],port:[%d]\n",inet_ntoa(cli.sin_addr),ntohs(cli.sin_port));

48 基于 TCP 的客户 / 服务器 - 服务器代码 } // 给连接的客户发送信息 isend = send(saccept,buf,sizeof(buf),0); if(isend == SOCKET_ERROR) { printf("send() Failed: %d\n",wsagetlasterror()); break; } else if(isend == 0) { break; } else { printf("send() byte: %d\n",isend); } closesocket(saccept); } closesocket(slisten); WSACleanup(); return 0;

49 基于 TCP 的客户 / 服务器 - 客户端代码 #include <Winsock2.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define DATA_BUFFER 1024 // 默认缓冲区大小 #pragma comment(lib, " wsock32.lib") Int main(int argc, char * argv[]) { WSADATA wsadata; SOCKET sclient; int iport = 5050; int ilen;// 从服务器端接收的数据长度 char buf[data_buffer];// 接收数据的缓冲区 struct sockaddr_in ser;// 服务器端地址 // 判断参数输入是否正确 :client [Server IP] if(argc<2) { // 提示在命令行中输入服务器 IP 地址 printf("usage: client [server IP address]\n"); return -1; }

50 基于 TCP 的客户 / 服务器 - 客户端代码 memset(buf,0,sizeof(buf));// 接收缓冲区初始化 if(wsastartup(makeword(2,2),&wsadata)!=0) { printf("failed to load Winsock.\n"); return -1; } // 填写要连接的服务器地址信息 ser.sin_family = AF_INET; ser.sin_port = htons(iport); //inet_addr() 将命令行中输入的点分 IP 地址转换为二进制表示的网络字节序 IP 地址 ser.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); // 建立客户端流式套接口 sclient = socket(af_inet,sock_stream,0); if(sclient == INVALID_SOCKET) { printf("socket() Failed: %d\n",wsagetlasterror()); return -1; }

51 基于 TCP 的客户 / 服务器 - 客户端代码 // 请求与服务器端建立 TCP 连接 if(connect(sclient,(struct sockaddr *)&ser,sizeof(ser)) == INVALID_SOCKET) { printf("connect() Failed: %d\n",wsagetlasterror()); return -1; } else { // 从服务器端接收数据 ilen = recv(sclient,buf,sizeof(buf),0); if(ilen == 0) return -1; else if(ilen == SOCKET_ERROR) { printf("recv() Failed: %d\n",wsagetlasterror()); return -1; } else printf("recv() data from server: %s\n",buf); }

52 基于 TCP 的客户 / 服务器 - 客户端代码 } closesocket(sclient); WSACleanup(); return 0; 服务器端客户端

53 总结体会只要搞清楚上面列举的几个函数和其参数的使用, 我们网络编程的入门第一步就算是完成了建议大家先写一遍代码, 在写的过程中加深印象, 然后在看 MSDN 或相关书籍详细的将每个 WSA 提供的那几个函数的说明看一遍, 先实际操作一遍, 在来看他的原理这样最容易学习了

Chapter 5- 运输层 (5)-2017

Chapter 5- 运输层 (5)-2017 计算机网络运输层编程 (5) 陈旺虎 chenwh@nwnu.edu.cn Review TCP 协议格式 TCP 可靠传输为什么需要三次握手? A 发送一次确认的原因应对出现已失效的连接请求报文段的情况, 即防止已失效的连接请求报文段突然又传到了 B 例 1:A 发出连接请求, 但该请求丢失,A 重传连接请求, 到达 B, 则正常 ; 一. 认识 Socket 应用层程序流套接字接口