基于socket的文件傳輸軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程結(jié)業(yè)報(bào)告陳琳姓名：陳琳09S003158學(xué)號：09S003158計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)所學(xué)專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)課程名稱：網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)………………………32.1面向TCP連接系統(tǒng)調(diào)用過程42.2面向UDP連接系統(tǒng)調(diào)用過程53.系統(tǒng)要求與功能實(shí)現(xiàn)53.1公共類設(shè)計(jì)53.1.1IP地址操作類53.1.2DNS相關(guān)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(yàn)結(jié)果125．思考146．結(jié)論和收獲15基于socket套接字的文件傳輸軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)概述TCP/IP〔TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)的簡寫，中文譯名為傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，又叫網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，這個(gè)協(xié)議是Internet最根本的協(xié)議、Internet國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的根底，簡單地說，就是由網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)通信使用的唯一協(xié)議體系，適用于連接多種機(jī)型，既可用于局域網(wǎng)，又可用于廣域網(wǎng)，許多廠商的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)產(chǎn)品都采用或含有TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議已成為目前事實(shí)上的國際標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?；赥CP/IP協(xié)議組的網(wǎng)絡(luò)模型分為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層這樣五個(gè)層次。TCP/IP協(xié)議組位于應(yīng)用程序和硬件之間，指揮數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)報(bào)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(yīng)用程序之間的通信，主要功能是數(shù)據(jù)格式化、數(shù)據(jù)確認(rèn)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前必須先建立連接,經(jīng)三次握手確定后才開始數(shù)據(jù)傳送。UDP進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)傳輸使用的是不可靠、無連接的協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層包括互連網(wǎng)協(xié)議IP，互連網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議ICMP和互連網(wǎng)組管理協(xié)議IGMP。其中IP協(xié)議完成大局部的工作，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和路由的選擇等。IP報(bào)頭中的地址和網(wǎng)卡相聯(lián)系(具體還涉及地址解析和反向地址解析協(xié)議)，TCP、UDP報(bào)頭中的端口號側(cè)對應(yīng)著網(wǎng)絡(luò)主機(jī)上不同的程序。TCP/IP體系結(jié)構(gòu)如圖一所示：圖一TCP/IP體系結(jié)構(gòu)Socket通常也稱作"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一個(gè)通信鏈的句柄。應(yīng)用程序通常通過"套接字"向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請求或者應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)請求。Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API，Socket接口定義了許多函數(shù)或例程，程序員可以用它們來開發(fā)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用程序。盡管TCP/IP協(xié)議的名稱中只有TCP這個(gè)協(xié)議名，但是在TCP/IP的傳輸層同時(shí)存在TCP和UDP兩個(gè)協(xié)議。TCP是一種面向連接的保證可靠傳輸?shù)膮f(xié)議。通過TCP協(xié)議傳輸，得到的是一個(gè)順序的無過失的數(shù)據(jù)流。發(fā)送方和接收方的成對的兩個(gè)socket之間必須建立連接，以便在TCP協(xié)議的根底上進(jìn)行通信，當(dāng)一個(gè)socket〔通常都是serversocket〕等待建立連接時(shí)，另一個(gè)socket可以要求進(jìn)行連接，一旦這兩個(gè)socket連接起來，它們就可以進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，雙方都可以進(jìn)行發(fā)送或接收操作。UDP是一種無連接的協(xié)議，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)都是一個(gè)獨(dú)立的信息，包括完整的源地址或目的地址，它在網(wǎng)絡(luò)上以任何可能的路徑傳往目的地，因此能否到達(dá)目的地，到達(dá)目的地的時(shí)間以及內(nèi)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(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了分別面向TCP和UDP的可靠文件傳輸軟件。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)根據(jù)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(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)進(jìn)程間的相互作用的主機(jī)模式是C/S。在操作過程中采取的是主動(dòng)請示方式：

首先效勞器方要先啟動(dòng)，并根據(jù)請示提供相應(yīng)效勞：1、翻開一通信通道并告知本地主機(jī)，它在某一個(gè)公認(rèn)地址上接收客戶請求；2、等待客戶請求到達(dá)該端口；3、接收到重復(fù)效勞請求，處理該請求并發(fā)送應(yīng)答信號；4、返回第2步，等待另一客戶請求；5、關(guān)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(jī)的特定端口；2、向效勞器發(fā)送效勞請求報(bào)文，等待并接收應(yīng)答；繼續(xù)提出請求……3、請求結(jié)束后關(guān)閉通信通道并終止。2.1面向TCP系統(tǒng)調(diào)用時(shí)序圖圖二面向TCP的系統(tǒng)時(shí)序圖2.2面向UDP系統(tǒng)調(diào)用時(shí)序圖圖三面向UDP的系統(tǒng)時(shí)序圖3.功能實(shí)現(xiàn)3.1公共類設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，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(jìn)行接收；客戶端可以通過TCP和UDP進(jìn)行傳輸。3.1.1IP地址操作類1、IPAddress類在該類中有一個(gè)Parse()方法，可以把點(diǎn)分的十進(jìn)制IP表示轉(zhuǎn)化IPAddress類，方法如下：

IPAddressaddress=IPAddress.Parse(“9〞)；IPAddress提供4個(gè)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)接口其中IPAddress.Any最常用可以用來表示本機(jī)上所有的IP地址，這對于socket效勞進(jìn)行偵聽時(shí)便使用，不用對每個(gè)IP進(jìn)行偵聽了。2、IPEndPoint類通過二種構(gòu)造方法來創(chuàng)立IPEndPoint類：

a、IPEndPoint(longaddress,intport)

b、IPEndPoint(IPAddressaddress,intport)

它有四個(gè)屬性：

AddressAddressFamilyPortMaxPortMinPortIPEndPoint是一個(gè)IP地址和端口的綁定，可以代表一個(gè)效勞，用來Socket通訊。DNS相關(guān)類DNS類有四個(gè)靜態(tài)方法，來獲取主機(jī)DNS相關(guān)信息：1、GetHostName()通過Dns.GetHostName()可以獲得本地計(jì)算機(jī)的主機(jī)名2、GetHostByName()根據(jù)主機(jī)名稱，返回一個(gè)IPHostEntry對象：IPHostEntryGetHostByName(stringhostName)。其中IPHostEntry把一個(gè)DNS主機(jī)名與一個(gè)別名和IP地址的數(shù)組相關(guān)聯(lián)，包含三個(gè)屬性：AddressList：一個(gè)IPAddress對象的數(shù)組Aliases：一個(gè)字符串對象數(shù)組HostName：一個(gè)用于主機(jī)名的字符串對象3、GetHostByAddress()類似于GetHostByName()，只不過這里的參數(shù)是IP地址，而不是主機(jī)名，也返回一個(gè)IPHostEntry對象。IPHostEntryGetHostByAddress(IPAddressaddress)IPHostEntryGetHostByAddress(stringaddress)

4、Resolve()

當(dāng)不知道輸入的遠(yuǎn)程主機(jī)的地址是哪種格式時(shí)〔主機(jī)名或IP地址〕，用以上的二種方法來實(shí)現(xiàn)，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(jī)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(shí)例，用于Socket偵聽時(shí)綁定：IPEndPointipep=newIPEndPoint(IPAddress.Any,7000);2、創(chuàng)立套接字實(shí)例：serverSocket=newSocket(AddressFamily.InterNetwork,SocketType.Stream,ProtocolType.Tcp)；這里創(chuàng)立的時(shí)候用ProtocolType.Tcp，表示建立一個(gè)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(shè)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(rèn)情況下創(chuàng)立25個(gè)線程。從線城池中獲取一個(gè)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(shí)例和套接字；2、將套接字連接到遠(yuǎn)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(shù)據(jù)塊進(jìn)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(jìn)行小數(shù)據(jù)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(shí)開辟了一個(gè)內(nèi)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(dāng)開始接收文件，收到一個(gè)數(shù)據(jù)包后，如果等待超過了一定時(shí)間后都沒有收到數(shù)據(jù)包，就給發(fā)送方發(fā)送一個(gè)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(shè)計(jì)過程中，局部步驟和實(shí)現(xiàn)代碼與TCP相似，在此不再贅述。根本的實(shí)現(xiàn)步驟：1、創(chuàng)立一個(gè)socket，用函數(shù)socket()；2、綁定IP地址、端口等信息到socket上，用函數(shù)bind()；3、循環(huán)接收數(shù)據(jù)，用函數(shù)recvfrom()；4、關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接；為了實(shí)現(xiàn)UDP的可靠傳輸，設(shè)計(jì)了ReceiveFileManager類，如下列圖所示：圖六ReceiveFileManager類可靠傳輸?shù)木唧w做法是：1、在ReceiveFileManager類中參加一個(gè)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(jīng)接收，初始化為全部沒有接受〔false〕。2、在ReceiveFileManager類中參加一個(gè)Timer，用來檢測收到一個(gè)包后等待的時(shí)間是否超過了設(shè)置的值，超過就給發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)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(jīng)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(shè)計(jì)過程中，局部步驟和實(shí)現(xiàn)代碼與TCP相似，在此不再贅述。根本的實(shí)現(xiàn)步驟：1、創(chuàng)立一個(gè)socket，用函數(shù)socket()；

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

4、發(fā)送數(shù)據(jù)，用函數(shù)sendto();

5、關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)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(gè)端口的發(fā)送來的信息進(jìn)行監(jiān)控，一旦效勞器請求，那么進(jìn)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(gòu)造函數(shù)。這個(gè)限制的目的是為了把所有的異步編程技術(shù)都集中到同一個(gè)池中。假設(shè)構(gòu)造了含有兩個(gè)線程的線程池，當(dāng)三個(gè)請求到達(dá)時(shí)，它們立刻安排到隊(duì)列等待被處理，因?yàn)閮蓚€(gè)線程都是空閑的，所以頭兩個(gè)請求開始執(zhí)行。當(dāng)其中任何一個(gè)請求處理結(jié)束后，空閑的線程就會去提取第三個(gè)請求并處理