基于UDP协议的网络聊天程序设计.doc

《基于UDP协议的网络聊天程序设计》

基于UDP协议的网络聊天程序设计

学生姓名：XX 指导老师：XX

摘 要 本课程设计是是基于UDP协议的网络聊天程序设计，UDP协议是无连接的协议，是TCP/IP协议的一种分层协议。通过本设计进一步掌握利用Visual C++进行程序设计的能力和运用面向对象程序设计的思想和方法，初步掌握开发一个小型实用系统的基本方法，理解Windows程序的运行过程。本设计实现的聊天工具要求在Microsoft Visual C++ 6.0上，编写一个程序，采用C/S模式，模拟网络上的聊天软件，实现在局域网上两台主机之间的通信。且经过测试，该聊天程序能够正常运行，实现了设计目标。

关键词 UDP协议；客户机/服务器；网络聊天

1 引 言

现在是网络的世界，网络发展的不可估量了，它可以包括我们生活中的方方面面，小到上网浏览新闻、上网购物，大到网上理财、网上会议，可以说网络把我们的世界变小了，即使在海角天边，只要有网络的地方我们就可以随时联系。最简单的形式就是进行网络聊天了，比如QQ、MSN等等很简单的聊天工具，可以随时拉近你我的距离。本设计将基于UDP协议和局域网环境，实现一个即时聊天程序。

1.1本文主要内容
本文第二节介绍了UDP协议和客户机/服务器模式基本原理，第三节详细描述了设计思路和流程，第四节为本次课程设计的总结。

1.2设计平台
Microsoft Visual C++ 6.0，简称VC或者VC6.0，是微软推出的一款C++编译器，将“高级语言”翻译为“机器语言（低级语言）”的程序。Visual C++是一个功能强大的可视化软件开发工具。自1993年Microsoft公司推出Visual C++1.0后，随着其新版本的不断问世，Visual C++已成为专业程序员进行软件开发的首选工具。虽然微软公司推出了 Visual C++.NET(Visual C++7.0)，但它的应用有很大的局限性，只适用于Windows 2000、Windows XP和Windows NT4.0。所以实际中，更多的是以Visual C++6.0为平台。
Visual C++6.0由Microsoft开发, 它不仅是一个C++ 编译器，而且是一个基于Windows操作系统的可视化集成开发环境（integrated development environment，IDE）。Visual C++6.0由许多组件组成，包括编辑器、调试器以及程序向导AppWizard、类向导Class Wizard等开发工具。 这些组件通过一个名为Developer Studio的组件集成为和谐的开发环境。Microsoft的主力软件产品。Visual C++是一个功能强大的可视化软件开发工具。自1993年Microsoft公司推出Visual C++1.0后，随着其新版本的不断问世，Visual C++已成为专业程序员进行软件开发的首选工具。虽然微软公司推出了Visual C++.NET(Visual C++7.0)，但它的应用的很大的局限性，只适用于Windows 2000,Windows XP和Windows NT4.0。所以实际中，更多的是以Visual C++6.0为平台。

2 设计原理

2.1 UDP协议原理
UDP协议的全称是用户数据报协议，在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包，是一种无连接的协议。在OSI模型中，在第四层——传输层，处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。UDP协议从问世至今已经被使用了很多年，虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖，但是即使是在今天UDP仍然不失为一项非常实用和可行的网络传输层协议。
UDP是OSI参考模型中一种无连接的传输层协议，它主要用于不要求分组顺序到达的传输中，分组传输顺序的检查与排序由应用层完成，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。UDP 协议基本上是IP协议与上层协议的接口。UDP协议适用端口分别运行在同一台设备上的多个应用程序。
与所熟知的TCP（传输控制协议）协议一样，UDP协议直接位于IP（网际协议）协议的顶层。根据OSI（开放系统互连）参考模型，UDP和TCP都属于传输层协议。
UDP协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据包的形式。一个典型的数据包就是一个二进制数据的传输单位。每一个数据包的前8个字节用来包含报头信息，剩余字节则用来包含具体的传输数据。
UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接（当然发送数据结束时也没有连接可释放）因此减少了开销和发送数据之前的时延。
UDP使用的是尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表。
UDP是面向报文的。发送方的UDP对应程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。
UDP是定义用来在互连网络环境中提供数据报交换的计算机通信的协议。此协议默认是IP下层协议。此协议提供了向另一用户程序发送信息的最简便的协议机制，不需要连接确认和保护复制，所以在软件实现上比较简单，需要的内存空间比起TCP相对较小。
UDP包头由4个域组成，其中每个域各占用2个字节。
（1）源端口号（16位）：UDP数据包的发送方使用的端口号。
（2）目标端口号（16位）：UDP数据包的接收方使用的端口号。UDP协议使用端口号为不同的应用保留其各自的数据传输通道。UDP和rap协议正是采用这一机制，实现对同一时刻内多项应用同时发送和接收数据的支持。
（3）数据报长度（16位）。数据报的长度是指包括报头和数据部分在内的总的字节数。理论上，包含报头在内的数据包的最大长度为65535字节。不过，一些实际应用往往会限制数据包的大小，有时会降低到8192字节。
（4）校验值（16位）。UDP协议使用包头中的校验值来保证数据的安全。

2.2 客户机/服务器模式
　　由于这次课程设计是实现点到点的可靠连接，所以在此使用UDP连接方式。在这个连接中，双方分为客户和服务器，他们各自的功能不同。
客户机一方，UDP应用程序功能如下：
（1） 打开通信信道（申请一套接字），并连接到服务器在主机的保留端口，该端口对应服务器的UDP进程。
（2） 向服务器发出请求报文，等待接收应答。
（3） 从服务器方收到最终应答结果，或在不再请求时关闭信道并终止客户机进程。
服务器一方，UDP应用程序动作如下：
（1） 打开通信信道（申请一套接字），通知本地主机在某一保留端口接收客户机请求。
（2） 等待客户请求到达指定端口。
（3） 接收到请求，启动一新进程处理用户请求，同时释放旧进程以响应新的客户请求，一旦服务完成，关闭新进程与客户的通信链路。
（4） 继续等待客户机请求。
（5） 如果不想响应客户机请求，关闭服务器进程。

3设计步骤

3.1 总体设计思路
基于UDP协议通信和基于TCP协议的通信不同，基于UDP的消息传递更快，但不提供可靠性的保证。也就是说，数据在传递的时候，用户无法知道数据能否正确的到达目的地主机，也不能确定数据到达目的地的顺寻是否和发送的顺序相同。系统采用的是客户端/服务器工作模式，所以应有客户端和服务器两个类，其中客户端向服务器请求服务。而基于UDP通信的基本模式是：
将数据打包，称为数据包，然后将数据包发往目的地。
接受别人发来的数据包，然后查看数据包的内容。

3.2功能模块调用流程设计：
客户端
服务器

Socket()
Socket()

Bind()
Bind()

双向
通信

ReceiveFrom()
/SendTo()

ReceiveFrom()
/SendTo()

Close()

Close()

图3.1 程序设计流程图
其中，服务器端：Socket()，建立流式套接字；Bind()，将套接字和服务器地址结构绑定；ReceiveFrom()/SendTo()，在套接字上接收/发送数据；Close()，关闭套接字。客户端与服务器端同理。

3.3基于UDP的网络聊天程序实现

3.3.1 基于UDP的聊天程序服务器端源程序：

//创建套接字
//第二个参数和TCP设置不同
SOCKET sockSrv = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
SOCKADDR_IN addrSrv; //设置服务器端套接字的地址结构的相关属性
addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY); //设置IP
addrSrv.sin_port = htons(20000); // //设置端口号
addrSrv.sin_family = AF_INET;

//将套接字和服务器地址结构绑定
bind(sockSrv, (SOCKADDR *)&addrSrv, sizeof(SOCKADDR) );
char recvBuf[100];
char sendBuf[100];
char tempBuf[100];
SOCKADDR_IN addrClient;
int len = sizeof(SOCKADDR);

//从客户端接收数据
recvfrom(sockSrv, recvBuf, 100, 0, (SOCKADDR *)& addrClient, & len);
if ('q' == recvBuf[0])
{
sendto(sockSrv, "q", strlen("q") + 1, 0, (SOCKADDR*) & addrClient, len);
cout << "chart end" << endl;
break; //退出循环
}

//将对方发送过来的信息前段加上IP地址进行输出
sprintf(tempBuf, "%s say %s\n", inet_ntoa(addrClient.sin_addr), recvBuf);
cout << tempBuf << endl;

//将用户的键盘输入发送到对方
cout << "Please input message: " << endl;
gets(sendBuf);
sendto(sockSrv, sendBuf, strlen(sendBuf) + 1, 0, (SOCKADDR * )&addrClient, len);

3.3.2 基于UDP的聊天程序客户端端源程序：

//创建套接字
SOCKET sockClient = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //第二个参数和TCP设置不同
SOCKADDR_IN addrSrv; //服务器地址结构
addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //服务器地址
addrSrv.sin_port = htons(20000); //服务器端口号
addrSrv.sin_family = AF_INET;

cout << "请输入发送的消息: " << endl;
gets(sendBuf); //得到用户的键盘输入

//将对方发送过来的信息前段加上IP地址进行输出
sprintf(tempBuf, "%s say %s\n", inet_ntoa(addrSrv.sin_addr), recvBuf);
cout << tempBuf << endl;

3.4程序测试结果

图3.2 客户端向服务器发送信息

图3.3 服务器收到信息

图3.4 服务器向客户端发送信息

图3.5 客户端收到服务器信息

4结束语

这次计算机网络课程设计历时两个星期，让我学到了很多很多的东西。不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。当然，在这个过程中我也遇到了很多问题，不过由于老师耐心的帮助和讲解，使我更进一步加深了对计算机网络的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。特别是当每一步成功时，心里特别的开心。
总的来说，这次设计的基于UDP协议的网络聊天程序还是比较成功的，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤指导下，终于迎刃而解，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的，不仅学到了不少知识，而且锻炼了自己的能力，使自己对以后的路有了更加清楚的认识，同时，对未来有了更多的信心。最后，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！

参考文献

[1] 谢希仁．计算机网络（第四版）[M]．北京：电子工业出版社，2003
[2] 陆魁军 等．计算机网络基础实践教程[M]．北京：清华大学出版社，2005
[3]陈坚、陈伟编著.《Visual C++网络高级编程》. 北京: 人民邮电出版社，2001
[4]吴功宜、胡晓英等编著.《计算机网络课程设计》.北京：机械工业出版社，2010.8

附件 1 ：
首先编写服务器端程序，实现代码如下：
Chat Server
#include <iostream>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "Ws2_32.lib")
using namespace std;
int main(int argc, CHAR * argv[])
{
WORD wVersionRequested;
WSADATA wsaData;
int err;
wVersionRequested = MAKEWORD(2, 0);
err = WSAStartup(wVersionRequested, & wsaData);
if (err != 0 )
{
cout << "WSAStartup Error!" << endl;
return 1;
}
if (LOBYTE(wsaData.wVersion) != 2 || HIBYTE(wsaData.wVersion) != 0)
{ cout << "Version not rignt!" << endl;
WSACleanup();
return 1;
}
//创建套接字
//第二个参数和TCP设置不同
SOCKET sockSrv = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
SOCKADDR_IN addrSrv; // //设置服务器端套接字的地址结构的相关属性
addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY); //设置IP
addrSrv.sin_port = htons(20000); // //设置端口号
addrSrv.sin_family = AF_INET;
//将套接字和服务器地址结构绑定
bind(sockSrv, (SOCKADDR *)&addrSrv, sizeof(SOCKADDR) );
char recvBuf[100];
char sendBuf[100];
char tempBuf[100];
SOCKADDR_IN addrClient;
int len = sizeof(SOCKADDR);
while(1)
{
//从客户端接收数据
recvfrom(sockSrv, recvBuf, 100, 0, (SOCKADDR *)& addrClient, & len);
if ('q' == recvBuf[0])
{
sendto(sockSrv, "q", strlen("q") + 1, 0, (SOCKADDR*) & addrClient, len);
cout << "chart end" << endl;
break; //退出循环
}
//将对方发送过来的信息前段加上IP地址进行输出
sprintf(tempBuf, "%s say %s\n", inet_ntoa(addrClient.sin_addr), recvBuf);
cout << tempBuf << endl;
//将用户的键盘输入发送到对方
cout << "Please input message: " << endl;
gets(sendBuf);
sendto(sockSrv, sendBuf, strlen(sendBuf) + 1, 0, (SOCKADDR * )&addrClient, len);
}
closesocket(sockSrv);
WSACleanup();
return 0;
}
下面编写聊天客户端程序，实现代码如下：
Chat client
#include <iostream>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "Ws2_32.lib") //静态加入一个lib文件
using namespace std;
int main(int argc, CHAR * argv[])
{
WORD wVersionRequested;
WSADATA wsaData;
int err;
wVersionRequested = MAKEWORD(2, 0);
err = WSAStartup(wVersionRequested, & wsaData);
if (err != 0 )
{
cout << "WSAStartup Error!" << endl;
return 1;
}
if (LOBYTE(wsaData.wVersion) != 2 || HIBYTE(wsaData.wVersion) != 0)
{ cout << "Version not rignt!" << endl;
WSACleanup();
return 1;
}
//创建套接字
SOCKET sockClient = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //注意第二个参数和TCP设置不同
SOCKADDR_IN addrSrv; //服务器地址结构
addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //服务器地址
addrSrv.sin_port = htons(20000); //服务器端口号
addrSrv.sin_family = AF_INET;
char recvBuf[100];
char sendBuf[100];
char tempBuf[100];
int len = sizeof(SOCKADDR);
while(1)
{
cout << "请输入发送的消息: " << endl;
gets(sendBuf); //得到用户的键盘输入
sendto(sockClient, sendBuf, strlen(sendBuf) + 1, 0, (SOCKADDR * )&addrSrv, len);
recvfrom(sockClient, recvBuf, 100, 0, (SOCKADDR *)& addrSrv, & len);
if ('q' == recvBuf[0])
{
sendto(sockClient, "q", strlen("q") + 1, 0, (SOCKADDR *) & addrSrv, len);
cout << "chart end" << endl;
break; //退出循环
}
//将对方发送过来的信息前段加上IP地址进行输出
sprintf(tempBuf, "%s say %s\n", inet_ntoa(addrSrv.sin_addr), recvBuf);
cout << tempBuf << endl;
}
closesocket(sockClient);
WSACleanup();
return 0;
}
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