计算机网络实验设计-网络聊天程序的实现

网络聊天程序的实现

一．设计题目

网络聊天程序的设计与实现

二．设计内容

1.设计主要内容

了解Socket通信原理，会使用Socket进行进行简单的网络编程，在此基础上设计编写一聊天程序，能够实现通过运行程序，两台计算机之间可以通信。

2.知识要点介绍

WinSock 并不是一种网络协议，它只是一个网络编程接口，也就是说，它不是协议，但是它可以 访问很多种网络协议，你可以把它当作一些协议的封装。现在的 WinSock 已经基本上实现了与协议无关。你可以使用 WinSock 来调用多种协议的功能。可以通过调用 WinSock 的接口函数来调用 TCP/IP 的各种功能。
TCP/IP 协议包含的范围非常的广，它是一种四层协议，包含了各种硬件、软件需求的定义。TCP/IP 协议确切的说法应该是 TCP/UDP/IP 协议。UDP 协议(User Datagram Protocol 用户数据报协议)，是一 种保护消息边界的，不保障可靠数据的传输。TCP 协议(Transmission Control Protocol 传输控制协议)，是一种流传输的协议。他提供可靠的、有序的、双向的、面向连接的传输。 保护消息边界，就是指传输协议把数据当作一条独立的消息在网上传输，接收端只能接收独立的消息。也就是说存在保护消息边界，接收端一次只能接收发送端发出的一个数据包。

三．设计步骤

首先，对于任何基于 WinSock 的编程首先必须要初始化 WinSock DLL 库。int WSAStarup( WORD wVersionRequested,LPWSADATA lpWsAData )wVersionRequested 是我们要求使用的 WinSock 的版本。 调用这个接口函数可以初始化 WinSock 。
然后必须创建一个套接字(Socket)。SOCKET Socket(int af,int type,int protocol); 套接字可以说是 WinSock 通讯的核心。WinSock 通讯的所有数据传输，都是通过套接字来完成的，套接字包含了两个信息，一个是 IP 地址，一个是 Port 端口号，使用这两个信息，就可以确定网络中 的任何一个通讯节点。

然后使用 Socket()接口函数创建了一个套接字后，必须把套接字与你需要进行通讯的地址建立联计算机网络系，可以通过绑定函数 bind 来实现这种联系。

四．调试过程

在对程序进行调试的过程中，首先将程序运行在同一台电脑上，也就是让服务端进程和客户端进程同时运行在同一台电脑上，这时候客户端访问的IP地址可以为127.0.0.1，也可以通过ipconfig查看本机的真实地址，然后请求连接，连接成功后进行测试。

当程序在本机可以跑，并且客户端和服务端之间可以实现简单的通信，说明在本机程序是可以跑的，此时选择将客户端或者是服务端放到其他电脑上，将客户端的ip地址改为运行了服务端的那台电脑的ip地址，再次测试是否可以正常运行。
如何发现同步：
通过查阅资料，我找到了两种解决办法。第一种是开启一个收文件的线程，让其在后台不断地执行recvfrom并打印在控制台上。第二个是使用select函数，通过检测套接字状态，使用read和write函数对文件描述符进行读写。也可以实现同步收发消息。我选择了第二种方式。
关键代码：
FD_ISSET(con, &rfds) //返回1则表示此时可读，con为套接字描述字
FD_ISSET(0, &rfds) //返回1则表示此时可写，文件描述符0即为stdin
send(con, buf, sizeof(buf), 0);
recv(con, buffer, sizeof(buffer), 0).

五．设计结果及结果分析

1.实验结果截图展示

实验结果展示图（上：服务端，下：客户端）

2.实验结果分析

本实验实现的聊天程序，即通过使用socket编程，利用协议接口，ip与端口号实现程序之间的通信。在此过程中主要的就是对于Socket编程接口的使用。在程序中我们使用绑定bind()、listen()、acpet()、等函数方法实现了服务端的基本搭建和对于客户端的监听，其次是在客户端中指定了相应的服务端的ip地址和端口号，让客户端去连接服务端。最终达到通信的目的。

六．心得体会

本实验是从整体上对于网络协议的应用有了一个全面的认识。首先，在此之前我们没有接触过使用socket接口实现网络协议的一系列编程思想，在实验一总我们学会了socket中简单的协议的用法，服务端的建立，绑定，使用，监听等一系列的问题的研究已经从客户端连接服务端的各项内容。
从整体上对于winsock的使用流程有了更深一步的了解，通过阅读源码，对于TCP/IP协议在程序运行的实质和流程有了根深的理解。

七.源码

1.服务端

#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
using namespace std;

#pragma comment(lib, "Ws2_32.lib")

//IP报头
typedef struct IP_HEADER
{
    unsigned char hdr_len:4;       //4位头部长度
    unsigned char version:4;       //4位版本号
    unsigned char tos;             //8位服务类型
    unsigned short total_len;      //16位总长度
    unsigned short identifier;     //16位标识符
    unsigned short frag_and_flags; //3位标志加13位片偏移
    unsigned char ttl;             //8位生存时间
    unsigned char protocol;        //8位上层协议号
    unsigned short checksum;       //16位校验和
    unsigned long sourceIP;        //32位源IP地址
    unsigned long destIP;          //32位目的IP地址
} IP_HEADER;

//ICMP报头
typedef struct ICMP_HEADER
{
    BYTE type;    //8位类型字段
    BYTE code;    //8位代码字段
    USHORT cksum; //16位校验和
    USHORT id;    //16位标识符
    USHORT seq;   //16位序列号
} ICMP_HEADER;

//报文解码结构
typedef struct DECODE_RESULT
{
    USHORT usSeqNo;        //序列号
    DWORD dwRoundTripTime; //往返时间
    in_addr dwIPaddr;      //返回报文的IP地址
}DECODE_RESULT;

//计算网际校验和函数
USHORT checksum( USHORT *pBuf, int iSize )
{
    unsigned long cksum = 0;
    while( iSize > 1 )
    {
        cksum += *pBuf++;
        iSize -= sizeof(USHORT);
    }
    if( iSize )//如果 iSize 为正，即为奇数个字节
    {
        cksum += *(UCHAR *)pBuf; //则在末尾补上一个字节，使之有偶数个字节
    }
    cksum  = ( cksum >> 16 ) + ( cksum&0xffff );
    cksum += ( cksum >> 16 );
    return (USHORT)( ~cksum );
}

//对数据包进行解码
BOOL DecodeIcmpResponse(char * pBuf, int iPacketSize, DECODE_RESULT &DecodeResult,
                        BYTE ICMP_ECHO_REPLY, BYTE  ICMP_TIMEOUT)
{
    //检查数据报大小的合法性
    IP_HEADER* pIpHdr = ( IP_HEADER* )pBuf;
    int iIpHdrLen = pIpHdr->hdr_len * 4;    //ip报头的长度是以4字节为单位的

    //若数据包大小 小于 IP报头 + ICMP报头，则数据报大小不合法
    if ( iPacketSize < ( int )( iIpHdrLen + sizeof( ICMP_HEADER ) ) )
        return FALSE;

    //根据ICMP报文类型提取ID字段和序列号字段
    ICMP_HEADER *pIcmpHdr = ( ICMP_HEADER * )( pBuf + iIpHdrLen );//ICMP报头 = 接收到的缓冲数据 + IP报头
    USHORT usID, usSquNo;

    if( pIcmpHdr->type == ICMP_ECHO_REPLY )    //ICMP回显应答报文
    {
        usID = pIcmpHdr->id;        //报文ID
        usSquNo = pIcmpHdr->seq;    //报文序列号
    }
    else if( pIcmpHdr->type == ICMP_TIMEOUT )//ICMP超时差错报文
    {
        char * pInnerIpHdr = pBuf + iIpHdrLen + sizeof( ICMP_HEADER ); //载荷中的IP头
        int iInnerIPHdrLen = ( ( IP_HEADER * )pInnerIpHdr )->hdr_len * 4; //载荷中的IP头长
        ICMP_HEADER * pInnerIcmpHdr = ( ICMP_HEADER * )( pInnerIpHdr + iInnerIPHdrLen );//载荷中的ICMP头

        usID = pInnerIcmpHdr->id;        //报文ID
        usSquNo = pInnerIcmpHdr->seq;    //序列号
    }
    else
    {
        return false;
    }

    //检查ID和序列号以确定收到期待数据报
    if( usID != ( USHORT )GetCurrentProcessId() || usSquNo != DecodeResult.usSeqNo )
    {
        return false;
    }
    //记录IP地址并计算往返时间
    DecodeResult.dwIPaddr.s_addr = pIpHdr->sourceIP;
    DecodeResult.dwRoundTripTime = GetTickCount() - DecodeResult.dwRoundTripTime;

    //处理正确收到的ICMP数据报
    if ( pIcmpHdr->type == ICMP_ECHO_REPLY || pIcmpHdr->type == ICMP_TIMEOUT )
    {
        //输出往返时间信息
        if(DecodeResult.dwRoundTripTime)
            cout<<"      "<<DecodeResult.dwRoundTripTime<<"ms"<<flush;
        else
            cout<<"      "<<"<1ms"<<flush;
    }
    return true;
}

 int   main()
{
    //初始化Windows sockets网络环境
    WSADATA wsa;
    WSAStartup( MAKEWORD(2,2), &wsa );
    char IpAddress[255];
    cout<<"请输入一个IP地址或域名：";
    cin>>IpAddress;

    //得到IP地址
    u_long ulDestIP = inet_addr( IpAddress );

    //转换不成功时按域名解析
    if( ulDestIP == INADDR_NONE )
    {
        hostent * pHostent = gethostbyname( IpAddress );
        if( pHostent )
        {
            ulDestIP = ( *( in_addr* )pHostent->h_addr).s_addr;
        }
        else
        {
            cout<<"输入的IP地址或域名无效!"<<endl;
            WSACleanup();
            return 0;
        }
    }
    cout<<"Tracing roote to "<<IpAddress<<" with a maximum of 30 hops.\n"<<endl;

    //填充目的端socket地址
    sockaddr_in destSockAddr;
    ZeroMemory( &destSockAddr, sizeof( sockaddr_in ) );
    destSockAddr.sin_family = AF_INET;
    destSockAddr.sin_addr.s_addr = ulDestIP;

    //创建原始套接字
    SOCKET sockRaw = WSASocket( AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP, NULL, 0, WSA_FLAG_OVERLAPPED );

    //超时时间
    int iTimeout = 3000;

    //设置接收超时时间
    setsockopt( sockRaw, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (char *)&iTimeout, sizeof( iTimeout ) );

    //设置发送超时时间
    setsockopt(sockRaw,SOL_SOCKET,SO_SNDTIMEO,(char *)&iTimeout,sizeof(iTimeout));

    //构造ICMP回显请求消息，并以TTL递增的顺序发送报文
    //ICMP类型字段
    const BYTE ICMP_ECHO_REQUEST = 8;    //请求回显
    const BYTE ICMP_ECHO_REPLY   = 0;    //回显应答
    const BYTE ICMP_TIMEOUT      = 11;   //传输超时

    //其他常量定义
    const int DEF_ICMP_DATA_SIZE   = 32;    //ICMP报文默认数据字段长度
    const int MAX_ICMP_PACKET_SIZE = 1024;  //ICMP报文最大长度（包括报头）
    const DWORD DEF_ICMP_TIMEOUT   = 3000;  //回显应答超时时间
    const int DEF_MAX_HOP          = 30;    //最大跳站数

    //填充ICMP报文中每次发送时不变的字段
    char IcmpSendBuf[ sizeof( ICMP_HEADER ) + DEF_ICMP_DATA_SIZE ];//发送缓冲区
    memset( IcmpSendBuf, 0, sizeof( IcmpSendBuf ) );               //初始化发送缓冲区
    char IcmpRecvBuf[ MAX_ICMP_PACKET_SIZE ];                      //接收缓冲区
    memset( IcmpRecvBuf, 0, sizeof( IcmpRecvBuf ) );               //初始化接收缓冲区

    ICMP_HEADER * pIcmpHeader = ( ICMP_HEADER* )IcmpSendBuf;
    pIcmpHeader->type = ICMP_ECHO_REQUEST; //类型为请求回显
    pIcmpHeader->code = 0;                //代码字段为0
    pIcmpHeader->id   = (USHORT)GetCurrentProcessId();    //ID字段为当前进程号
    memset( IcmpSendBuf + sizeof( ICMP_HEADER ), 'E', DEF_ICMP_DATA_SIZE );//数据字段

    USHORT usSeqNo      = 0;            //ICMP报文序列号
    int iTTL            = 1;            //TTL初始值为1
    BOOL bReachDestHost = FALSE;        //循环退出标志
    int iMaxHot         = DEF_MAX_HOP;  //循环的最大次数
    DECODE_RESULT DecodeResult;    //传递给报文解码函数的结构化参数
    while( !bReachDestHost && iMaxHot-- )
    {
        //设置IP报头的TTL字段
        setsockopt( sockRaw, IPPROTO_IP, IP_TTL, (char *)&iTTL, sizeof(iTTL) );
        cout<<iTTL<<flush;    //输出当前序号,flush表示将缓冲区的内容马上送进cout,把输出缓冲区刷新

        //填充ICMP报文中每次发送变化的字段
        ((ICMP_HEADER *)IcmpSendBuf)->cksum = 0;                   //校验和先置为0
        ((ICMP_HEADER *)IcmpSendBuf)->seq   = htons(usSeqNo++);    //填充序列号
        ((ICMP_HEADER *)IcmpSendBuf)->cksum =
            checksum( ( USHORT * )IcmpSendBuf, sizeof( ICMP_HEADER ) + DEF_ICMP_DATA_SIZE ); //计算校验和

        //记录序列号和当前时间
        DecodeResult.usSeqNo         = ( ( ICMP_HEADER* )IcmpSendBuf )->seq;    //当前序号
        DecodeResult.dwRoundTripTime = GetTickCount();                          //当前时间

        //发送TCP回显请求信息
        sendto( sockRaw, IcmpSendBuf, sizeof(IcmpSendBuf), 0, (sockaddr*)&destSockAddr, sizeof(destSockAddr) );

        //接收ICMP差错报文并进行解析处理
        sockaddr_in from;           //对端socket地址
        int iFromLen = sizeof(from);//地址结构大小
        int iReadDataLen;           //接收数据长度
        while(1)
        {
            //接收数据
            iReadDataLen = recvfrom( sockRaw, IcmpRecvBuf, MAX_ICMP_PACKET_SIZE, 0, (sockaddr*)&from, &iFromLen );
            if( iReadDataLen != SOCKET_ERROR )//有数据到达
            {
                //对数据包进行解码
                if(DecodeIcmpResponse( IcmpRecvBuf, iReadDataLen, DecodeResult, ICMP_ECHO_REPLY, ICMP_TIMEOUT ) )
                {
                    //到达目的地，退出循环
                    if( DecodeResult.dwIPaddr.s_addr == destSockAddr.sin_addr.s_addr )
                        bReachDestHost = true;
                    //输出IP地址
                    cout<<'\t'<<inet_ntoa( DecodeResult.dwIPaddr )<<endl;
                    break;
                }
            }
            else if( WSAGetLastError() == WSAETIMEDOUT )    //接收超时，输出*号
            {
                cout<<"         *"<<'\t'<<"Request timed out."<<endl;
                break;
            }
            else
            {
                break;
            }
        }
        iTTL++;    //递增TTL值
    }
}

2.客户端

#include <stdio.h>
#include <Winsock2.h>
#include <windows.h>
#include<iostream>
using namespace std;
#pragma comment(lib,"ws2_32")
//同样设置句柄对象
HANDLE hMutex;

//客户端你的发送函数
void Send(SOCKET sockClient){
	char sendBuf[50]={0};
	int a=0;
	while(1){
		
		//printf("服务器连接成功！");
		printf("\n用户输入发送内容:");
		gets(sendBuf);
		// 客户端发送数据
		a=send(sockClient, sendBuf, 50, 0);
		printf("\n");
		if(a<=0){
			break;
			}
		else
		Sleep(1000);
		ReleaseMutex(hMutex);
		}
		//关闭socket，一次通信完成
		closesocket(sockClient);
}

void Rec(SOCKET sockClient){
	char recBuf[50]={0};
	int b=0;
	while(1){
		b=recv(sockClient, recBuf, 50, 0);	// 客户端从服务器接收信息
		if(b<=0){
			break;
		}
		else
			printf("\n%s\n%s\n","来自服务器的内容：",recBuf);
			Sleep(1000);
		ReleaseMutex(hMutex);
				printf("\n用户输入发送内容:");
	}
		closesocket(sockClient);//关闭socket，一次通信完成
}


int main()
{
	system("color 6");
	WORD wVersionRequested;
	WSADATA wsaData;
	int err;
	//通过连接两个给定的无符号参数，创建一个无符号16位整形
	wVersionRequested = MAKEWORD( 1, 1 );
	err = WSAStartup( wVersionRequested, &wsaData );//完成对Winsock的初始化
	if ( err != 0 ) //判断函数返回值
		{
		printf("********** 客户端启动成功！  **********\n");
		return 0;
		}
	//取10进制数最低和最高字节内容，用于判断版本是否一致
	if ( LOBYTE( wsaData.wVersion ) != 1 || HIBYTE( wsaData.wVersion ) != 1 )
		 {
		WSACleanup( );
		return 0;
		}
	 while(1){

		SOCKET sockClient=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建流式套接字，返回socketSrv
		SOCKADDR_IN addrSrv;
		addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr("10.1.11.239");//绑定套接字到一个IP地址和一个端口上
		addrSrv.sin_family=AF_INET;
		addrSrv.sin_port=htons(6000);
		connect(sockClient,(SOCKADDR*)&addrSrv,sizeof(SOCKADDR));//建立连接

		HANDLE hThread1=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)Send,(LPVOID)sockClient,0,0);
		HANDLE hThread2=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)Rec,(LPVOID)sockClient,0,0);

			WaitForSingleObject(hThread1,INFINITE);
			CloseHandle(hThread1);
			WaitForSingleObject(hThread2,INFINITE);
			CloseHandle(hThread2);
		}

	 getchar();
	//WSACleanup()是一个计算机函数，功能是终止Winsock 2 DLL (Ws2_32.dll) 的使用，函数原型是int PASCAL FAR WSACleanup (void)。	
	WSACleanup();
	return 0;
}