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1、网络通信原理课程题 目 基于TCP、UDP的聊天文件传输程序目 录1 实验综述11.1 设计目标11.2 完成功能12 网络编程的预备知识12.1 TCP/IP协议族简介12.2 用户数据报协议UDP22.3 传输控制协议TCP33 编程实现53.1 编程环境53.2 QtNetwork63.3 整体结构和子模块划分74 关键模块分析94.1 聊天内容传输模块94.2 文件传输模块105 开发工具135.1 测试环境135.2 测试步骤136 实验总结156.1 个人收获156.2 待改善的问题157 参考资料16 研究生宽带通信网原理实验报告 1 实验综述1.1 设计目标TCP/IP协议是I
2、nternet的基础和最基本的网络协议。本实验利用了UDP和TCP协议，实现一个具有聊天功能和文件传输功能的QT插件。实验中使用非面向连接的UDP协议实现文字传输的功能，使用面向连接的TCP协议实现文件传输的功能。1.2 完成功能（1）布局界面，创建若干个按钮和输入控件和一个现实控件，如图1所示。（2）利用UDPSOCKET实现网络聊天的功能。（3）利用TCPSOCKET实现文件传输的功能。图1 程序界面2 网络编程的预备知识2.1 TCP/IP协议族简介TCP/IP体系结构分为四层，分别是网络接口层、网际层、运输层和应用层。如图2所示的一种分层次画出具体协议的表示图可知，TCP/IP协议族具
3、有“两头大而中间小”的特点。应用层和网络接口层都有多种协议，而中间的IP层是最小的，上层的各种协议都向下汇聚到一个IP协议中。这种沙漏型的结构表明：TCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务（所谓的everything over IP）。同时TCP/IP协议也允许IP协议在各式各样的网络结构中构成互联网上运行（所谓的IP over everything）。正因为如此，因特网才会发展到今天这种全球规模。从图2不难看出IP协议在因特网中起到核心的作用。我们应该知道的是，TCP/IP中的运输层向高层用户屏蔽了下层的网络核心细节（如网络拓扑、路由选择协议等），它使应用进程看见的就是好像在两个运输层实
4、体之间有一条端到端的逻辑通信信道，尽管下层可能存在着非常复杂的协议。图2 TCP/IP协议族示意图 运输层有两个主要的协议，分别是面向连接的TCP协议和无连接的UDP协议。下面详细介绍这两个协议。2.2 用户数据报协议UDP 用户数据报协议（User Datagram Protocol, UDP）是一种无连接的网络协议，它只是在IP的数据报服务之上增加了很少的功能，即复用和解复用以及差错检测的功能。UDP的主要特点是：（1）UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接（当然发送数据结束之后也没有连接需要释放），因此减少了开销和发送数据之前的时延。（2）UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交
5、付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表。（3）UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文仅添加首部之后就交付给IP层，也就是说，应用层交给UDP多长的报文，UDP照样发送。所以应用程序应该选择合适的报文大小，若报文过长，则IP层将会对UDP报文进行分片，降低了IP层的效率；反之，若报文太短，则导致IP首部相对过大，也降低了IP层的效率（4）UDP没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会对主机的发送速率造成影响。这对实时应用是很重要的。（5）UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。（6）UDP首部仅有8个字节，开销较小。2.3 传输控制协议TCP传输控制协议（Transmis
6、sion Control Protocol，TCP）是TCP/IP体系中非常复杂的一个协议，它具有如下特点：（1）TCP是面向连接的运输层协议。这就是说，应用程序在使用TCP协议之前，必须先建立TCP连接。在传送数据结束之后，必须释放已建立的TCP连接。（2）每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的。（3）TCP提供可靠交付服务。也就是说，用户可以通过协议无差错、不丢失、不重复且按序到达地传输数据。（4）TCP提供全双工通信。它允许连接的双方在任何时候发送数据。（5）面向字节流。TCP中的“流”指的是流入进程和从进程流出的字节序列。即应用程序与TCP的交互是一次一个数据块
7、，但TCP把应用程序交下来的数据块仅看成一连串无结构的字节流。图3 TCP面向流的概念TCP对应用进程一次把多长的报文发到TCP的缓存器中并不关心，它会根据其发送窗口的大小来调整一个报文段有多长。如果发送来的数据太长，则它将对数据进行分段，如果太短，则会等待数据达到一定大小再发送。TCP所谓的面向连接并不是指真正的物理连接，而是一条建立在各种可靠性保障机制上的序连接。连接是TCP最基本的抽象，TCP的很多特性都与其面向连接的这个基本特性有关。如前所述，每一条TCP连接有两个端点，这个端点不是主机，不是IP地址、不是进程也不是运输层的端口，而是叫做套接字（SOCKET）。其定义是端口号拼接到点分
8、十进制表示的IP地址上，用冒号或者逗号隔开。例如，有IP地址218.192.169.130而端口号是80，那么得到的套接字则为（218.192.169.130:80）。总之，我们有套接字socket = （IP地址：端口号）每一条TCP连接唯一地被通信两端的两个端点（即两个套接字）所确定。即：TCP连接：= socket1，socket2 = （IP：port1），（IP，port2）总而言之，TCP连接就是由协议软件所提供的一种抽象。有时为了方便，我们也可以说，在一个应用进程和另一个应用进程之间建立了一条TCP连接，但被连接的两端是套接字，同一个地址可以有多个不同的TCP连接，而同一个端口号
9、也可以出现在多个不同的TCP连接中。TCP的可靠传输依靠于一系列复杂的机制，例如超时重传、拥塞控制等等，不作详述。3 编程实现3.1 编程环境Qt是一个1991年由奇趣科技开发的跨平台C+图形用户界面应用程序开发框架。它既可以开发GUI程序，也可开发非GUI程序，比如控制台和服务器。Qt是面向对象语言，易于扩展，并且允许组件编程。基本上，Qt 同 X Window 上的 Motif，Openwin，GTK 等图形界 面库和 Windows 平台上的 MFC，OWL，VCL，ATL 是同类型的东西。Qt与其他开发工具包最不相同的部分是它的“信号和槽”（signal and slot）机制，这也是
10、它的中心特征。图4 信号和槽示意图在图形用户界面编程中，我们希望一个窗口部件的一个变化被通知给另外一个窗口部件。更一般地，我们希望任何一类的对象可以与其他对象进行通信。较老的工具包使用一种被称作回调的通讯方式来实现同一目的。回调是指一个函数指针，所以如果你希望一个处理函数通知你一些事件，你可以把另一个函数回调的指针传递给处理函数。处理函数在适当的时候调用回调。回调有两个主要的缺点。首先他们不是类型安全的。我们从不确定处理函数使用了正确的参数来调用回调。其次回调和处理函数是非常强地联系在一起的，因为处理函数必须知道要调用哪个回调。信号和槽机制是指，当一个特定事件发生的时候，一个信号被发射。Qt的
11、窗口部件有很多预定义的信号， 但是我们总是可以通过继承来加入我们自己的信号。槽就是一个可以被调用处理特定信号的函数。Qt的窗口部件又很多预定义的槽，但是通常的习惯是你可以加入自己的槽，这样你就可以处理你所感兴趣的信号。信号和槽的机制是类型安全的：一个信号的签名必须与它的接收槽的签名相匹配。（实际上一个槽的签名可以比它接收的信号的签名少，因为它可以忽略额外的 签名。）因为签名是一致的，编译器就可以帮助我们检测类型不匹配。信号和槽是宽松地联系在一起的：一个发射信号的类不用知道也不用注意哪个槽要接收这个信号。Qt的信号和槽的机制可以保证如果你把一个信号和一个槽连接起来，槽会在正确的时间使用信号的参数
12、而被调用。信号和槽可以使用任何数量、任何类型的参 数。它们是完全类型安全的：不会再有回调核心转储(core dump)。从QObject类或者它的一个子类 （比如QWidget类）继承的所有类可以包含信号和槽。 当对象改变它们的状态的时候，信号被发送，从某种意义上讲，它们也许对外面的世界感兴趣。这就是所有的对象通讯时所做的一切。它不知道也不注意无论有没有 东西接收它所发射的信号。这就是真正的信息封装，并且确保对象可以用作一个软件组件。3.2 QtNetworkQtNetwork是QT为用户提供网络功能的库，里面封装好许多个类为用户所用。本次试验用到的是QTcpServer、QTcpSocket
13、和QUdpSocket这三个类。QTcpServer提供一个TCP基础服务类，这个类用来接收到来的TCP连接，可以指定TCP端口或者用QTcpServer挑选一个端口，可以监听一个指定的地址或者所有的机器地址。用它的listen()函数监听所有连接，在有客户端连接到服务器端就会发射一个newConnection()信号，此时可以调用nextPendingConnection()来接受待处理的连接，并返回一个QTcpSocket，我们可以用这个返回的套接字和客户端连接并通信。QTcpSocket类提供一个套接字，可以用bind()函数绑定一个主机的端口，也可以用connectToHost()函数
14、请求一个TCP连接。QUdpSocket类可以用来发送和接收UDP数据报。采用UDP时，数据是以数据报的形式从一个主机发送到另一个主机的，此中没有连接的概念，如果UDP数据报没有成功发送，它并不会向发送者发送任何错误报告。3.3 整体结构和子模块划分图5 整体结构图程序由主界面（TestWork）、TCP服务器类（MyServer）、发送文件类（Sender）和接收文件类（Receiver）组成。MyServer类派生自QTcpServer类，实质上是图6 主界面类的结构图一个TCP服务器，程序启动时就会调用它建立一个服务器进行TCP连接的监听。当一个新的连接请求到来时，它将生成一个选项框（Q
15、MessageBox）作传输控制，用户单击Yes后接收端才建立套接字传输数据，传输完成后双方都关闭套接字。等待下一次的连接。传输文件子模块可以理解为一个C/S结构的程序，客户端只有在向服务器提出文件传输的请求，服务器，即接收端才根据请求分配一个新的套接字进行传输任务，然而在程序运行的任何时刻，用户都可以使用聊天的功能，这由QUdpSocket来完成。主界面类（TestWork）为整个程序提供一个交互界面，完成所有交互功能，结构如图6所示。它包括了一些按钮和输入控件，一个用于显示聊天内容和一些信息提示的文本浏览器。除了提供界面外，该类还完成了聊天内容的收发。聊天是通过UDP数据包来实现的。图7 服务器类（Myserver）结构图服务器类（Myserver）监听文件传输的请求，并且每当新连接到来时实例化一个接收文件类（Receiver），实现文件的传输。当用户点击发送按钮时，程序就会实例化一个Sender类，如图8所示，并向该类待传输文件的路径，然后发送文件。接收文件类（Receiver）与发送类十分
