基于socket的文件傳輸軟件的設計與實現

哈爾濱工業(yè)大學課程結業(yè)報告陳琳姓名：陳琳09S003158學號：09S003158計算機科學與技術所學專業(yè)：計算機科學與技術網絡程序設計課程名稱：網絡程序設計2023-12-20提交日期：2023-12-20目錄1.基于TCP/IP及UDP的通信傳輸概述22.系統(tǒng)體系結構………………………32.1面向TCP連接系統(tǒng)調用過程42.2面向UDP連接系統(tǒng)調用過程53.系統(tǒng)要求與功能實現53.1公共類設計53.1.1IP地址操作類53.1.2DNS相關類63.2TCP文件傳輸73.2.1效勞器端73.2.2客戶端83.3UDP文件傳輸93.3.1效勞器端103.3.2客戶端113.4線程池113.5其它124.試驗結果125．思考146．結論和收獲15基于socket套接字的文件傳輸軟件的設計與實現概述TCP/IP〔TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)的簡寫，中文譯名為傳輸控制協(xié)議/因特網互聯協(xié)議，又叫網絡通訊協(xié)議，這個協(xié)議是Internet最根本的協(xié)議、Internet國際互聯網絡的根底，簡單地說，就是由網絡層的IP協(xié)議和傳輸層的TCP協(xié)議組成的。TCP/IP協(xié)議使用范圍極廣，是目前異種網絡通信使用的唯一協(xié)議體系，適用于連接多種機型，既可用于局域網，又可用于廣域網，許多廠商的計算機操作系統(tǒng)和網絡操作系統(tǒng)產品都采用或含有TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議已成為目前事實上的國際標準和工業(yè)標準?；赥CP/IP協(xié)議組的網絡模型分為應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層和物理層這樣五個層次。TCP/IP協(xié)議組位于應用程序和硬件之間，指揮數據在網絡各層中傳遞。其中傳輸層的協(xié)議包括傳輸控制協(xié)議(TCP)和用戶數據報協(xié)議(UDP)，它們都建立在IP協(xié)議的根底上，其中TCP提供可靠的面向連接效勞，UDP提供簡單的無連接效勞。傳輸層提供端到端，即應用程序之間的通信，主要功能是數據格式化、數據確認和喪失重傳等。TCP協(xié)議是面向連接的協(xié)議,它提供可靠的字節(jié)流效勞,在進行數據傳輸之前必須先建立連接,經三次握手確定后才開始數據傳送。UDP進行數據報傳輸使用的是不可靠、無連接的協(xié)議。網絡層包括互連網協(xié)議IP，互連網控制報文協(xié)議ICMP和互連網組管理協(xié)議IGMP。其中IP協(xié)議完成大局部的工作，負責數據傳輸和路由的選擇等。IP報頭中的地址和網卡相聯系(具體還涉及地址解析和反向地址解析協(xié)議)，TCP、UDP報頭中的端口號側對應著網絡主機上不同的程序。TCP/IP體系結構如圖一所示：圖一TCP/IP體系結構Socket通常也稱作"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一個通信鏈的句柄。應用程序通常通過"套接字"向網絡發(fā)出請求或者應答網絡請求。Socket接口是TCP/IP網絡的API，Socket接口定義了許多函數或例程，程序員可以用它們來開發(fā)TCP/IP網絡上的應用程序。盡管TCP/IP協(xié)議的名稱中只有TCP這個協(xié)議名，但是在TCP/IP的傳輸層同時存在TCP和UDP兩個協(xié)議。TCP是一種面向連接的保證可靠傳輸的協(xié)議。通過TCP協(xié)議傳輸，得到的是一個順序的無過失的數據流。發(fā)送方和接收方的成對的兩個socket之間必須建立連接，以便在TCP協(xié)議的根底上進行通信，當一個socket〔通常都是serversocket〕等待建立連接時，另一個socket可以要求進行連接，一旦這兩個socket連接起來，它們就可以進行雙向數據傳輸，雙方都可以進行發(fā)送或接收操作。UDP是一種無連接的協(xié)議，每個數據報都是一個獨立的信息，包括完整的源地址或目的地址，它在網絡上以任何可能的路徑傳往目的地，因此能否到達目的地，到達目的地的時間以及內容的正確性都是不能被保證的。本文在Scoket原理根底上，基于.NET平臺，利用線程池技術，設計并實現了分別面向TCP和UDP的可靠文件傳輸軟件。系統(tǒng)體系結構根據采用的協(xié)議不同，本軟件分為基于TCP文件傳輸和基于UDP的可靠文件傳輸。在TCP/IP網絡中兩個進程間的相互作用的主機模式是C/S。在操作過程中采取的是主動請示方式：

首先效勞器方要先啟動，并根據請示提供相應效勞：1、翻開一通信通道并告知本地主機，它在某一個公認地址上接收客戶請求；2、等待客戶請求到達該端口；3、接收到重復效勞請求，處理該請求并發(fā)送應答信號；4、返回第2步，等待另一客戶請求；5、關閉效勞器?？蛻舳耍?、翻開一通信通道，并連接到效勞器所在主機的特定端口；2、向效勞器發(fā)送效勞請求報文，等待并接收應答；繼續(xù)提出請求……3、請求結束后關閉通信通道并終止。2.1面向TCP系統(tǒng)調用時序圖圖二面向TCP的系統(tǒng)時序圖2.2面向UDP系統(tǒng)調用時序圖圖三面向UDP的系統(tǒng)時序圖3.功能實現3.1公共類設計軟件設計時，TCP和UDP的效勞器端為統(tǒng)一界面，客戶端為統(tǒng)一界面。即效勞器端既能夠接受TCP連接，也能通過UDP進行接收；客戶端可以通過TCP和UDP進行傳輸。3.1.1IP地址操作類1、IPAddress類在該類中有一個Parse()方法，可以把點分的十進制IP表示轉化IPAddress類，方法如下：

IPAddressaddress=IPAddress.Parse(“9〞)；IPAddress提供4個只讀字段

Any用于代表本地系統(tǒng)可用的任何IP地址Broadcase用于代表本地網絡的IP播送地址Loopback用于代表系統(tǒng)的回送地址None用于代表系統(tǒng)上沒有網絡接口其中IPAddress.Any最常用可以用來表示本機上所有的IP地址，這對于socket效勞進行偵聽時便使用，不用對每個IP進行偵聽了。2、IPEndPoint類通過二種構造方法來創(chuàng)立IPEndPoint類：

a、IPEndPoint(longaddress,intport)

b、IPEndPoint(IPAddressaddress,intport)

它有四個屬性：

AddressAddressFamilyPortMaxPortMinPortIPEndPoint是一個IP地址和端口的綁定，可以代表一個效勞，用來Socket通訊。DNS相關類DNS類有四個靜態(tài)方法，來獲取主機DNS相關信息：1、GetHostName()通過Dns.GetHostName()可以獲得本地計算機的主機名2、GetHostByName()根據主機名稱，返回一個IPHostEntry對象：IPHostEntryGetHostByName(stringhostName)。其中IPHostEntry把一個DNS主機名與一個別名和IP地址的數組相關聯，包含三個屬性：AddressList：一個IPAddress對象的數組Aliases：一個字符串對象數組HostName：一個用于主機名的字符串對象3、GetHostByAddress()類似于GetHostByName()，只不過這里的參數是IP地址，而不是主機名，也返回一個IPHostEntry對象。IPHostEntryGetHostByAddress(IPAddressaddress)IPHostEntryGetHostByAddress(stringaddress)

4、Resolve()

當不知道輸入的遠程主機的地址是哪種格式時〔主機名或IP地址〕，用以上的二種方法來實現，可能還要通過判斷客戶輸入的格式，才能正確使用，但Dns類提供一更簡單的方法Resolve()，該方法可以接受或者是主機名格式或者是IP地址格式的任何一種地址，并返回IPHostEntry對象。3.2TCP文件傳輸3.2.1效勞器端1、創(chuàng)立IPEndPoint實例，用于Socket偵聽時綁定：IPEndPointipep=newIPEndPoint(IPAddress.Any,7000);2、創(chuàng)立套接字實例：serverSocket=newSocket(AddressFamily.InterNetwork,SocketType.Stream,ProtocolType.Tcp)；這里創(chuàng)立的時候用ProtocolType.Tcp，表示建立一個面向連接(TCP)的Socket。3、將所創(chuàng)立的套接字與IPEndPoint綁定：serverSocket.Bind(ipep)。4、設置套接字為收聽模式：serverSocket.Listen(10)。5、在套接字上接收接入的連接在此使用.net的線程池類，默認情況下創(chuàng)立25個線程。從線城池中獲取一個線程來處理客戶端請求。ThreadPool.QueueUserWorkItem。6、在套接字上接受客戶端發(fā)送的信息局部代碼：BinaryReaderreader=newBinaryReader(client.GetStream());stringfilename=reader.ReadString();longtotal=reader.ReadInt64();stringsaveAs=GetSaveFile(filename);FileStreamfs=File.Create(saveAs);try{byte[]buffer=newbyte[8192];intlen;while(total>0){len=reader.Read(buffer,0,8192);if(len==0)thrownewIOException("發(fā)送方中止了連接");fs.Write(buffer,0,len);}}3.2.2客戶端1、創(chuàng)立IPEndPoint實例和套接字；2、將套接字連接到遠程效勞器；clientSocket.Connect(ipep)3、發(fā)送信息FileInfofi=newFileInfo(textBox1.Text);writer.Write(fi.Name);writer.Write(fi.Length);FileStreamfs=fi.OpenRead();longtotal=fi.Length;byte[]buffer=newbyte[8192];intlen;while((len=fs.Read(buffer,0,8192))!=0){writer.Write(buffer,0,len);}客戶端使用openFileDialog類選擇文件，然后向效勞器端傳送文件長度和文件名，最后將需要傳送的文件切割成以單位為8k的數據塊進行傳送。效勞器端使用SaveFileDialog類選擇存儲文件的位置，然后接受客戶端發(fā)送的文件名和文件長度，然后進行小數據塊接受，使用循環(huán)，直至客戶端發(fā)送完畢，效勞器端在接受客戶端連接請求時開辟了一個內存池。面向連接的程序流程圖如下所示：圖四面向TCP的程序流程圖3.3UDP文件傳輸TCP是面向連接的，所以用TCP傳輸文件不會丟包。UDP是非面向連接的，所以UDP是不可靠的，用它傳輸文件，要保證不丟包，就需要額外代碼來保障。本文采用的是在接受文件端來檢測，當開始接收文件，收到一個數據包后，如果等待超過了一定時間后都沒有收到數據包，就給發(fā)送方發(fā)送一個新的請求，要求繼續(xù)發(fā)送文件，直到文件全部接收完成。流程圖如下：圖五UDP傳輸流程3.3.1效勞器端在UDP效勞器端設計過程中，局部步驟和實現代碼與TCP相似，在此不再贅述。根本的實現步驟：1、創(chuàng)立一個socket，用函數socket()；2、綁定IP地址、端口等信息到socket上，用函數bind()；3、循環(huán)接收數據，用函數recvfrom()；4、關閉網絡連接；為了實現UDP的可靠傳輸，設計了ReceiveFileManager類，如下列圖所示：圖六ReceiveFileManager類可靠傳輸的具體做法是：1、在ReceiveFileManager類中參加一個記錄文件分塊接收狀態(tài)的列表Dictionary<int,bool>，int表示文件分塊的序號，bool表示是否已經接收，初始化為全部沒有接受〔false〕。2、在ReceiveFileManager類中參加一個Timer，用來檢測收到一個包后等待的時間是否超過了設置的值，超過就給發(fā)送方發(fā)送數據包，請求繼續(xù)發(fā)送文件，需要發(fā)送的文件塊序號為從Dictionary<int,bool>中查詢出來的沒有接收的文件塊序號。3、如果Dictionary<int,bool>中的所有文件塊已經收到〔全部為true〕,文件就接收完成了。3.3.2客戶端在UDP客戶端設計過程中，局部步驟和實現代碼與TCP相似，在此不再贅述。根本的實現步驟：1、創(chuàng)立一個socket，用函數socket()；

2、綁定IP地址、端口等信息到socket上，用函數bind()；3、設置對方的IP地址和端口等屬性;

4、發(fā)送數據，用函數sendto();

5、關閉網絡連接；為了保證UDP的可靠傳輸，客戶端也需要對效勞器端某個端口的發(fā)送來的信息進行監(jiān)控，一旦效勞器請求，那么進行重傳。IPEndPointremoteIP=newIPEndPoint(IPAddress.Any,0);byte[]buffer=null;try{buffer=UdpClient.EndReceive(result,refremoteIP);}catch(SocketExceptionex){throwex;}finally{ReceiveInternal();}OnReceiveData(newReceiveDataEventArgs(buffer,remoteIP));3.4線程池通過System.Threading名稱空間的ThreadPool類來使用線程池，它所有的成員都是靜態(tài)的，而且沒有公開的構造函數。這個限制的目的是為了把所有的異步編程技術都集中到同一個池中。假設構造了含有兩個線程的線程池，當三個請求到達時，它們立刻安排到隊列等待被處理，因為兩個線程都是空閑的，所以頭兩個請求開始執(zhí)行。當其中任何一個請求處理結束后，空閑的線程就會去提取第三個請求并處理