基于socket的文件传输软件的设计与实现.doc

哈尔滨工业大学课程结业报告陈 琳姓 名：09S003158学 号：计算机科学与技术所学专业：网络程序设计课程名称：2009-12-20提交日期： 目录1.基于TCP/IP及UDP的通信传输概述22.系统体系结构32.1面向TCP连接系统调用过程42.2面向UDP连接系统调用过程53.系统要求与功能实现53.1公共类设计53.1.1 IP地址操作类53.1.2 DNS相关类63.2 TCP文件传输73.2.1 服务器端73.2.2 客户端83.3 UDP文件传输93.3.1 服务器端103.3.2 客户端113.4线程池113.5其它124.试验结果125思考146结论和收获15基于socket套接字的文件传输软件的设计与实现1. 概述TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol)的简写，中文译名为传输控制协议/因特网互联协议，又叫网络通讯协议，这个协议是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，简单地说，就是由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成的。TCP/IP协议使用范围极广，是目前异种网络通信使用的唯一协议体系，适用于连接多种机型，既可用于局域网，又可用于广域网，许多厂商的计算机操作系统和网络操作系统产品都采用或含有TCP/IP协议。TCP/IP协议已成为目前事实上的国际标准和工业标准。基于TCP/IP协议组的网络模型分为应用层、传输层、网络层、链路层和物理层这样五个层次。TCP/IP协议组位于应用程序和硬件之间，指挥数据在网络各层中传递。其中传输层的协议包括传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP) ，它们都建立在IP协议的基础上，其中TCP提供可靠的面向连接服务，UDP提供简单的无连接服务。传输层提供端到端，即应用程序之间的通信，主要功能是数据格式化、数据确认和丢失重传等。TCP协议是面向连接的协议,它提供可靠的字节流服务,在进行数据传输之前必须先建立连接,经三次握手确定后才开始数据传送。UDP进行数据报传输使用的是不可靠、无连接的协议。网络层包括互连网协议 IP，互连网控制报文协议 ICMP和互连网组管理协议IGMP。其中IP协议完成大部分的工作，负责数据传输和路由的选择等。I P报头中的地址和网卡相联系( 具体还涉及地址解析和反向地址解析协议)，TCP 、UDP报头中的端口号侧对应着网络主机上不同的程序。TCP/IP体系结构如图一所示：图一 TCP/IP体系结构Socket通常也称作套接字，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。应用程序通常通过套接字向网络发出请求或者应答网络请求。Socket接口是TCP/IP网络的API，Socket接口定义了许多函数或例程，程序员可以用它们来开发TCP/IP网络上的应用程序。尽管TCP/IP协议的名称中只有TCP这个协议名，但是在TCP/IP的传输层同时存在TCP和UDP两个协议。TCP是一种面向连接的保证可靠传输的协议。通过TCP协议传输，得到的是一个顺序的无差错的数据流。发送方和接收方的成对的两个socket之间必须建立连接，以便在TCP协议的基础上进行通信，当一个socket（通常都是server socket）等待建立连接时，另一个socket可以要求进行连接，一旦这两个socket连接起来，它们就可以进行双向数据传输，双方都可以进行发送或接收操作。UDP是一种无连接的协议，每个数据报都是一个独立的信息，包括完整的源地址或目的地址，它在网络上以任何可能的路径传往目的地，因此能否到达目的地，到达目的地的时间以及内容的正确性都是不能被保证的。 本文在Scoket原理基础上，基于.NET平台，利用线程池技术，设计并实现了分别面向TCP和UDP的可靠文件传输软件。2. 系统体系结构根据采用的协议不同，本软件分为基于TCP文件传输和基于UDP的可靠文件传输。在TCP/IP网络中两个进程间的相互作用的主机模式是C/S。在操作过程中采取的是主动请示方式： 首先服务器方要先启动，并根据请示提供相应服务： 1、打开一通信通道并告知本地主机，它在某一个公认地址上接收客户请求； 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；4、返回第2步，等待另一客户请求；5、关闭服务器。客户端：1、打开一通信通道，并连接到服务器所在主机的特定端口；2、向服务器发送服务请求报文，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。2.1面向TCP系统调用时序图图二 面向TCP的系统时序图2.2面向UDP系统调用时序图图三 面向UDP的系统时序图3.功能实现3.1公共类设计 软件设计时，TCP和UDP的服务器端为统一界面，客户端为统一界面。即服务器端既能够接受TCP连接，也能通过UDP进行接收；客户端可以通过TCP和UDP进行传输。3.1.1 IP地址操作类1、IPAddress类在该类中有一个Parse()方法，可以把点分的十进制IP表示转化IPAddress类，方法如下：IPAddress address = IPAddress.Parse(“9”)； IPAddress提供4个只读字段Any 用于代表本地系统可用的任何IP地址Broadcase 用于代表本地网络的IP广播地址Loopback 用于代表系统的回送地址None 用于代表系统上没有网络接口其中IPAddress.Any最常用可以用来表示本机上所有的IP地址，这对于socket服务进行侦听时便使用，不用对每个IP进行侦听了。2、IPEndPoint类通过二种构造方法来创建IPEndPoint类：a、IPEndPoint(long address, int port)b、IPEndPoint(IPAddress address, int port)它有四个属性： AddressAddressFamilyPortMaxPortMinPortIPEndPoint是一个IP地址和端口的绑定，可以代表一个服务，用来Socket通讯。3.1.2 DNS相关类DNS类有四个静态方法，来获取主机DNS相关信息：1、GetHostName()通过Dns.GetHostName()可以获得本地计算机的主机名2、GetHostByName()根据主机名称，返回一个IPHostEntry 对象：IPHostEntry GetHostByName(string hostName)。其中IPHostEntry把一个DNS主机名与一个别名和IP地址的数组相关联，包含三个属性： AddressList：一个IPAddress对象的数组Aliases：一个字符串对象数组HostName：一个用于主机名的字符串对象3、GetHostByAddress()类似于GetHostByName()，只不过这里的参数是IP地址，而不是主机名，也返回一个IPHostEntry对象。IPHostEntry GetHostByAddress(IPAddress address)IPHostEntry GetHostByAddress(string address)4、Resolve()当不知道输入的远程主机的地址是哪种格式时（主机名或IP地址），用以上的二种方法来实现，可能还要通过判断客户输入的格式，才能正确使用，但Dns类提供一更简单的方法Resolve()，该方法可以接受或者是主机名格式或者是IP地址格式的任何一种地址，并返回IPHostEntry对象。3.2 TCP文件传输3.2.1 服务器端1、创建IPEndPoint实例，用于Socket侦听时绑定：IPEndPointipep=newIPEndPoint(IPAddress.Any,7000);2、创建套接字实例：serverSocket=newSocket(AddressFamily.InterNetwork,SocketType.Stream,ProtocolType.Tcp)；这里创建的时候用ProtocolType.Tcp，表示建立一个面向连接(TCP)的Socket。3、将所创建的套接字与IPEndPoint绑定：serverSocket.Bind(ipep)。4、设置套接字为收听模式：serverSocket.Listen(10)。5、在套接字上接收接入的连接在此使用.net的线程池类，默认情况下创建25个线程。从线城池中获取一个线程来处理客户端请求。ThreadPool.QueueUserWorkItem。6、在套接字上接受客户端发送的信息部分代码：BinaryReader reader = new BinaryReader(client.GetStream(); string filename = reader.ReadString(); long total = reader.ReadInt64(); string saveAs = GetSaveFile(filename); FileStream fs = File.Create(saveAs); try byte buffer = new byte8192; int len; while (total 0) len = reader.Read(buffer, 0, 8192); if (len = 0) throw new IOException(发送方中止了连接); fs.Write(buffer, 0, len); 3.2.2 客户端1、创建IPEndPoint实例和套接字；2、将套接字连接到远程服务器；clientSocket.Connect(ipep)3、发送信息FileInfo fi = new FileInfo(textBox1.Text); writer.Write(fi.Name); writer.Write(fi.Length); FileStream fs = fi.OpenRead();long total = fi.Length; byte buffer = new byte8192; int len; while (len = fs.Read(buffer, 0, 8192) != 0) writer.Write(buffer, 0, len); 客户端使用openFileDialog类选择文件，然后向服务器端传送文件长度和文件名，最后将需要传送的文件切割成以单位为8k的数据块进行传送。服务器端使用SaveFileDialog类选择存储文件的位置，然后接受客户端发送的文件名和文件长度，然后进行小数据块接受，使用循环，直至客户端发送完毕，服务器端在接受客户端连接请求时开辟了一个内存池。面向连接的程序流程图如下所示：图四 面向TCP的程序流程图3.3 UDP文件传输TCP是面向连接的，所以用TCP传输文件不会丢包。UDP是非面向连接的，所以UDP是不可靠的，用它传输文件，要保证不丢包，就需要额外代码来保障。本文采用的是在接受文件端来检测，当开始接收文件，收到一个数据包后，如果等待超过了一定时间后都没有收到数据包，就给发送方发送一个新的请求，要求继续发送文件，直到文件全部接收完成。流程图如下：图五 UDP传输流程3.3.1 服务器端在UDP服务器端设计过程中，部分步骤和实现代码与TCP相似，在此不再赘述。基本的实现步骤：1、创建一个socket，用函数socket()；2、绑定IP地址、端口等信息到socket上，用函数bind()；3、循环接收数据，用函数recvfrom()；4、关闭网络连接；为了实现UDP的可靠传输，设计了ReceiveFileManager类，如下图所示：图六ReceiveFileManager类 可靠传输的具体做法是：1、在ReceiveFileManager类中加入一个记录文件分块接收状态的列表Dictionary，int表示文件分块的序号，bool表示是否已经接收，初始化为全部没有接受（false）。2、在ReceiveFileManager类中加入一个Timer，用来检测收到一个包后等待的时间是否超过了设置的值，超过就给发送方发送数据包，请求继续发送文件，需要发送的文件块序号为从Dictionary中查询出来的没有接收的文件块序号。3、如果Dictionary中的所有文件块已经收到（全部为true）,文件就接收完成了。3.3.2 客户端在UDP客户端设计过程中，部分步骤和实现代码与TCP相似，在此不再赘述。基本的实现步骤：1、创建一个socket，用函数socket()；2、绑定IP地址、端口等信息到socket上，用函数bind()；3、设置对方的IP地址和端口等属性;4、发送数据，用函数sendto();5、关闭网络连接；为了保证UDP的可靠传输，客户端也需要对服务器端某个端口的发送来的信息进行监控，一旦服务器请求，则进行重传。 IPEndPoint remoteIP = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 0); byte buffer = null; try buffer = UdpClient.EndReceive(result, ref remoteIP); catch (SocketException ex) throw ex; finally ReceiveInternal(); OnReceiveData(new ReceiveDataEventArgs(buffer, remoteIP);3.4线程池通过System.Threading 名称空间的Thread Pool 类来使用线程池，它所有的成员都是静态的，而且没有公开的构造函数。这个限制的目的是为了把所有的异步编程技术都集中到同一个池中。假如构造了含有两个线程的线程池，当三个请求到达时，它们立刻安排到队列等待被处理，因为两个线程都是空闲的，所以头两个请求开始执行。当其中任何一个请求处理结束后，空闲的线程就会去提取第三个请求并处理之。在这种场景中，系统不需要为