数据通信与计算机网络课程设计要求.doc

第一部分 数据通信与计算机网络课程设计（要求）
一、课程设计的性质、目的和任务
性质：独立设课
目的和任务：
1、掌握数据通信和计算机网络的基本原理
2、掌握数据通信和计算机网络设计、分析和实现方法
3、提高学生编制网络通信程序、网络应用服务程序的能力
二、课程设计的基本内容和要求
基本内容：网络数据通信的基本方法及实现。
基本要求：根据选定的项目，课题小组成员认真查阅相关资料，发挥学生的主体作用，提出设计方案，老师参与，进行讨论和分析，最终确定设计方案。在此基础上，合理分工，协同完成项目的设计与实现，最后完成课程设计的报告撰写。
三、课程设计的内容学时安排
序号
实验项目
学时分配
实验类型
每组人数
内容提要
1
ARP协议数据包的捕获解析设计与实现
1周
设计性

3-6人

通过本实验，掌握网络协议数据包捕获和解析编程的技术
2
基于Socket的在线数据传输设计与实现
1周
设计性

3-6人

基于Socket套接口，实现通信双方的在线键盘数据传输服务。目的使学生掌握网络在线数据交换的设计方法。
3
基于Socket的文件传输服务（FTP）设计与实现
1周
设计性

3-6人

基于Socket套接口，实现文件数据传输服务。目的使学生掌握文件传输服务的设计方法。
4
基于Socket的HTTP文件传输服务设计与实现
1周
设计性

3-6人

基于Socket套接口，实现HTTP文件数据传输服务。目的使学生掌握Web网络服务的设计方法。
5
基于Socket的Telnet服务设计与实现
1周
设计性

3-6人

基于Socket套接口，实现Telnet服务。目的使学生掌握远程登录网络访问服务的设计方法。
6
滑动窗口协议的模拟
1周
设计性
3-6人
通过实现对于滑动窗口协议的模拟，加深对滑动窗口协议的理解。
7
简单的端口扫描
1周
设计性
3-6人
实现一个扫描器，必须能够完成以下所有功能：使用TCP connect、TCP SYN和 TCP FIN 进行端口扫描，使用ICMP echo扫描实现IP扫描。并把扫描得知的结果记录下来。

注：一、滑动窗口协议的模拟
1 关于滑动窗口，请阅读网络教材（实现— 选择性重发）；
2 运行时启动两个线程client 和server。其中sever 初始应该为监听状态；
3 可指定滑动窗口数目m（m＝2n，n为大于1的整数）和要发送的帧总数，停等的超时时间间隔以及发送类型（正常发送，即没有缺帧和错序发送帧的现象），发送速率等参数；
4 client向server发起连接，成功则转入5;
5 client端发出帧，帧的内容可同序号或者为“111”“222”…“aaa”“bbb”…或者是一段文章中的部分内容;
6 选择发送类型为“缺帧”，模拟因网络拥塞造成丢帧的情况，开始发送情况同“正常发送”的情况。不同的是在帧x发送前用户可以选择丢失，则客户端继续接收帧x+1，x+2…并且对帧x+1，x+2…发出确认并缓存该帧；
7 服务器端等待一段相当长的时间（超时），重发帧x；
8 选择发送类型为“错序发送”。将一组待发送的帧按照指定（错序）顺序发送。具体实现同“缺帧”情况；
9 以上各种情况下，client和server窗口中应实时显示帧的发送和接受情况，包括序号，到达时间，内容等。以及窗口的填充和清空情况；
10 使用socket编程；
11 本实验要求实现的是一个简化了许多的滑动窗口协议。对于所有包，在生成序列号后进行发送。接收方为每个包设定一个定时器，记录包的到达情况。如发送方发送速度过快，或某包定时器超时，则发送方应重发。接受方窗口满时，接受到的包应被拷贝至硬盘（以下部分可以自由设计，仅做参考）。
12 主要的数据结构：
包：
class packet{
protect：
int num；//数据包的序号
cstring content；//数据包内容
… …
//method
… …
}
消息：
class message{
protect：
int no；//消息的序号
cstring content；//消息内容
int id；//消息的方向
//method
… …
}
create_windows()
create—packets()
Create—timer()
Receive()
Waitfornext()
Write()
超时
包全部进入
Resend()
13 程序主要流程

14 方法：
void create_windows（）；//模拟滑动窗口协议中发送，接受窗口
void create_packet（）；//模拟滑动窗口协议中包
bool create_timer（）；//模拟滑动窗口协议中的定时器
int waitfornext（）；//等待下一个包
void resend（）；//重发
void receive（）；//数据包到达，接受数据包
void write（）；//数据包全部到达，写入硬盘

注：本实验主要目的是为了加深同学们对于滑动窗口协议的了解，而不是底层的网络编程。所以在这里，“包”的概念可以是一组题为“1”、“2”、“3”等等的文件（由程序动态创建）。如果是在两台机器上实现，其中一台机器作为发送方，另一台则是接收方，双方进行通讯。如果接收方窗口大小为6，则当编号为7的包（文件）到达时，接受方应作相应处理，包括通知发送方暂停发送，缓存收到的包，清空滑动窗口等。当然，对于出错的情况，比如包丢失，不按序到达等情况编程者应有所考虑，所以在模拟接收方的机器上，应提供选择待发送包序号的界面。一个简单的选择发送包的界面如下：

15按序发送

16 错序发送（包4未发送）

二、简单的端口扫描
1、基本概念
l 三次握手Three-way Handshake  
 一个虚拟连接的建立是通过三次握手来实现的   
1. (B) --> [SYN] --> (A)  
  假如服务器A和客户机B通讯. 当A要和B通信时，B首先向A发一个SYN (Synchronize) 标记的包，告诉A请求建立连接.   
注意: 一个 SYN包就是仅SYN标记设为1的TCP包(参见TCP包头Resources). 认识到这点很重要，只有当A收到B发来的SYN包，才可建立连接，除此之外别无他法。因此，如果你的防火墙丢弃所有的发往外网接口的SYN包，那么你将不能让外部任何主机主动建立连接。
2. (B) <-- [SYN/ACK] <--(A)   
接着，A收到后会发一个对SYN包的确认包(SYN/ACK)回去，表示对第一个SYN包的确认，并继续握手操作。
 注意: SYN/ACK包是仅SYN 和 ACK 标记为1的包.
3. (B) --> [ACK] --> (A) 
B收到SYN/ACK ，B发一个确认包(ACK)，通知A连接已建立。至此，三次握手完成，一个TCP连接完成  。
  Note： ACK包就是仅ACK 标记设为1的TCP包。 需要注意的是当三次握手完成、连接建立以后，TCP连接的每个包都会设置ACK位。
  这就是为何连接跟踪很重要的原因了. 没有连接跟踪，防火墙将无法判断收到的ACK包是否属于一个已经建立的连接。一般的包过滤(Ipchains)收到ACK包时，会让它通过；而当状态型防火墙收到此种包时，它会先在连接表中查找是否属于哪个已建连接，否则丢弃该包 。
l 四次握手Four-way Handshake   
四次握手用来关闭已建立的TCP连接   
1. (B) --> ACK/FIN --> (A)   
2. (B) <-- ACK <-- (A)   
3. (B) <-- ACK/FIN <-- (A)   
4. (B) --> ACK --> (A)  

注意: 由于TCP连接是双向连接, 因此关闭连接需要在两个方向上做。ACK/FIN 包(ACK 和FIN 标记设为1)通常被认为是FIN(终结)包。然而，由于连接还没有关闭， FIN包总是打上ACK标记。 没有ACK标记而仅有FIN标记的包不是合法的包，并且通常被认为是恶意的。
最常见的非法组合是SYN/FIN 包。 注意：由于 SYN包是用来初始化连接的。 它不可能和 FIN和RST标记一起出现，这也是一个恶意攻击。
表 3-2 TCP 状态表  
状 态 
描 述
CLOSED  
关闭状态，没有连接活动或正在进行  
LISTEN  
监听状态，服务器正在等待连接进入  
SYN RCVD  
收到一个连接请求，尚未确认
SYN SENT 
已经发出连接请求，等待确认 
ESTABLISHED
连接建立，正常数据传输状态 
FIN WAIT 1  
（主动关闭）已经发送关闭请求，等待确认
 FIN WAIT 2  
（主动关闭）收到对方关闭确认，等待对方关闭请求 
TIMED WAIT 
完成双向关闭，等待所有分组死掉
 CLOSING  
双方同时尝试关闭，等待对方确认
CLOSE WAIT
（被动关闭）收到对方关闭请求，已经确认  
LAST ACK  
（被动关闭）等待最后一个关闭确认，并等待所有分组死掉

l 正常状态转换 
1 服务器端首先执行 LISTEN 原语进入被动打开状态（ LISTEN ），等待客户端连接；  
·2当客户端的一个应用程序发出 CONNECT 命令后，本地的 TCP 实体为其创建一个连接记录并标记为 SYN SENT 状态，然后给服务器发送一个 SYN 报文段；  · 
3 服务器收到一个 SYN 报文段，其 TCP 实体给客户端发送确认 ACK 报文段同时发送一个 SYN 信号，进入 SYN RCVD 状态；  
·4客户端收到 SYN + ACK 报文段，其 TCP 实体给服务器端发送出三次握手的最后一个 ACK 报文段，并转换为 ESTABLISHED 状态；  
· 5 服务器端收到确认的 ACK 报文段，完成了三次握手，于是也进入 ESTABLISHED 状态。  
在此状态下，双方可以自由传输数据。当一个应用程序完成数据传输任务后，它需要关闭 TCP 连接。假设仍由客户端发起主动关闭连接。  

6 客户端执行 CLOSE 原语，本地的 TCP 实体发送一个 FIN 报文段并等待响应的确认（进入状态 FIN WAIT 1 ）；  
·7 服务器收到一个 FIN 报文段，它确认客户端的请求发回一个 ACK 报文段，进入 CLOSE WAIT 状态；  
· 8 客户端收到确认 ACK 报文段，就转移到 FIN WAIT 2 状态，此时连接在一个方向上就断开了；  
· 9 服务器端应用得到通告后，也执行 CLOSE 原语关闭另一个方向的连接，其本地 TCP 实体向客户端发送一个 FIN 报文段，并进入 LAST ACK 状态，等待最后一个 ACK 确认报文段；  
· 10 客户端收到 FIN 报文段并确认，进入 TIMED WAIT 状态，此时双方连接均已经断开，但 TCP 要等待一个 2 倍报文段最大生存时间 MSL （ Maximum Segment Lifetime ），确保该连接的所有分组全部消失，以防止出现确认丢失的情况。当定时器超时后， TCP 删除该连接记录，返回到初始状态（ CLOSED ）。  · 
11 服务器收到最后一个确认 ACK 报文段，其 TCP 实体便释放该连接，并删除连接记录，返回到初始状态（ CLOSED ）。

2、几种扫描的原理
l TCP connect() 扫描：
这是最基本的TCP扫描。操作系统提供的connect()系统调用，用来与每一个感兴趣的目标计算机的端口进行连接。如果端口处于侦听状态，那么connect()就能成功。否则，这个端口是不能用的，即没有提供服务。这个技术的一个最大的优点是，你不需要任何权限。系统中的任何用户都有权利使用这个调用。另一个好处就是速度。如果对每个目标端口以线性的方式，使用单独的connect()调用，那么将会花费相当长的时间，你可以通过同时打开多个套接字，从而加速扫描。使用非阻塞I/O允许你设置一个低的时间用尽周期，同时观察多个套接字。
l TCP SYN扫描 ：
这种技术通常认为是“半开放”扫描，这是因为扫描程序不必要打开一个完全的TCP连接。扫描程序发送的是一个SYN数据包，好像准备打开一个实际的连接并等待反应一样（参考TCP的三次握手建立一个TCP连接的过程）。一个SYN/ACK的返回信息表示端口处于侦听状态。一个RST返回，表示端口没有处于侦听态。如果收到一个SYN/ACK，则扫描程序必须再发送一个RST信号，来关闭这个连接过程。
l TCP FIN 扫描 ：
有的时候有可能SYN扫描都不够秘密。一些防火墙和包过滤器会对一些指定的端口进行监视，有的程序能检测到这些扫描。相反，FIN数据包可能会没有任何麻烦的通过。这种扫描方法的思想是关闭的端口会用适当的RST来回复FIN数据包。另一方面，打开的端口会忽略对FIN数据包的回复。这种方法和系统的实现有一定的关系。有的系统不管端口是否打开，都回复RST，这样，这种扫描方法就不适用了。这种方法在区分Unix和NT时，是十分有用的。
l ICMP Echo扫描：
使用ICMP Request数据包来判断在一个网络上主机是否开机。如果主机开机，则会回复ICMP Echo数据包。否则得不到回复。

注释：从上述所列的课程设计内容中，选择一个必做。若有能力或业余时间的学生，可选择一个以上的设计内容做。
四、课程设计报告要求
写出课程设计目的，设计内容，实验环境，设计思想和实现流程，源程序、运行结果以及分析。

第二部分 涉及到的概念
1、Socket for C：

2、Socket for java：

第三部分 实例
1、ftp客户端程序
代码如下：
package ftpclient;

import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import javax.swing.*;
import .ftp.*;
import .*;
import java.io.*;
public class FtpClientFrame extends JFrame {
JPanel contentPane;
Label labelPrompt = new Label(); // 状态提示
Label labelHost = new Label();
TextField textFieldHost = new TextField(); // 主机地址
Label labelUser = new Label();
TextField textFieldUser = new TextField(); // 用户名
Label labelPassword = new Label();
TextField textFieldPassword = new TextField(); // 密码
Button buttonLink = new Button(); // 连接按钮
Button buttonDisconnect = new Button(); // 断开按钮
Label labelFileShow = new Label();
TextArea textAreaContent = new TextArea(); // 显示文件和目录的文本域
Label labelFile = new Label();
TextField textFieldFile = new TextField(); // 要下载的文件名输入框
Label labelDir = new Label();
TextField textFieldDir = new TextField(); // 保存文件的本机目录名
Button buttonDownload = new Button(); // 下载按钮

FtpClient myFtp = null; // FtpClient对象
TelnetInputStream inStream = null; // 输入流对象

public FtpClientFrame() { // 构造函数
try {
jbInit(); // 界面初始化并显示
}
catch(Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}

// 界面初始化并显示
private void jbInit() throws Exception {
contentPane = (JPanel) this.getContentPane();
contentPane.setLayout(null);

labelPrompt.setBounds(new Rectangle(25, 6, 180, 22));
labelHost.setText("主机名:");
labelHost.setBounds(new Rectangle(25, 38, 50, 22));
textFieldHost.setBounds(new Rectangle(78, 38, 280, 22));

labelUser.setText("用户名:");
labelUser.setBounds(new Rectangle(25, 70, 50, 22));
textFieldUser.setBounds(new Rectangle(78, 70, 114, 22));
labelPassword.setText("密码:");
labelPassword.setBounds(new Rectangle(205, 70, 37, 22));
textFieldPassword.setBounds(new Rectangle(244, 70, 114, 22));
textFieldPassword.setEchoChar('*');

buttonLink.setLabel("连接");
buttonLink.setBounds(new Rectangle(375, 38, 70, 22));
buttonLink.addActionListener(new java.awt.event.ActionListener() {
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
buttonLink_actionPerformed(e);
}
});
buttonLink.setEnabled(true);

buttonDisconnect.setLabel("断开");
buttonDisconnect.setBounds(new Rectangle(375, 70, 70, 22));
buttonDisconnect.addActionListener(new java.awt.event.ActionListener() {
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
buttonDisconnect_actionPerformed(e);
}
});
buttonDisconnect.setEnabled(false);

labelFileShow.setText("目录列表");
labelFileShow.setBounds(new Rectangle(25, 105, 140, 22));

textAreaContent.setBounds(new Rectangle(25, 135, 420, 235));
textAreaContent.setEditable(false);

labelFile.setText("欲下载的文件名:");
labelFile.setBounds(new Rectangle(25, 380, 100, 22));
textFieldFile.setBounds(new Rectangle(128, 380, 230, 22));
labelDir.setText("存放文件的路径:");
labelDir.setBounds(new Rectangle(25, 412, 100, 22));
textFieldDir.setBounds(new Rectangle(128, 412, 230, 22));

buttonDownload.setLabel("下载");
buttonDownload.setBounds(new Rectangle(375, 412, 70, 22));
buttonDownload.addActionListener(new java.awt.event.ActionListener() {
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
buttonDownload_actionPerformed(e);
}
});
buttonDownload.setEnabled(false);

contentPane.add(labelPrompt, null);
contentPane.add(labelHost, null);
contentPane.add(textFieldHost, null);
contentPane.add(labelUser, null);
contentPane.add(textFieldUser, null);
contentPane.add(labelPassword, null);
contentPane.add(textFieldPassword, null);
contentPane.add(buttonLink, null);
contentPane.add(buttonDisconnect, null);

contentPane.add(labelFileShow, null);
contentPane.add(textAreaContent, null);
contentPane.add(textFieldFile, null);
contentPane.add(labelFile, null);
contentPane.add(labelDir, null);
contentPane.add(textFieldDir, null);
contentPane.add(buttonDownload, null);

enableEvents(AWTEvent.WINDOW_EVENT_MASK);

this.setSize(new Dimension(480, 485));
this.setResizable(false);
this.setTitle("ftp客户端");
this.setVisible(true);
}

// 响应“连接”按钮的点击消息，连接到服务器端
void buttonLink_actionPerformed(ActionEvent e) {
String hostname = textFieldHost.getText();
labelPrompt.setText("正在连接，请等待.....");
try {
myFtp = new FtpClient(hostname); // 构造一个对象
myFtp.login(textFieldUser.getText(), textFieldPassword.getText()); // 以给定用户名和密码登录
myFtp.binary(); // 表示文件以二进制模式传输
showFileContents(); // 列出服务器端当前目录下的目录和文件名
}
catch(FtpLoginException e1) {
String strPrompt = "用户名密码错误";
labelPrompt.setText(strPrompt);
}
catch (IOException e1) {
String strPrompt = "连接主机:" + hostname + "失败!";
labelPrompt.setText(strPrompt);
}
catch(SecurityException e1) {
String strPrompt = "无权限与主机:" + hostname + "连接!";
labelPrompt.setText(strPrompt);
}
labelPrompt.setText("连接主机:"+textFieldHost.getText()+"成功!");
buttonDisconnect.setEnabled(true);
buttonDownload.setEnabled(true);
buttonLink.setEnabled(false);
}

// 响应“断开”按钮的点击消息，连接到服务器端
void buttonDisconnect_actionPerformed(ActionEvent e) {
try {
myFtp.closeServer(); // 关闭与服务器端的连接
textAreaContent.setText("");
labelPrompt.setText("与主机断开连接");
}
catch(IOException e1) {
System.out.println("Error: " + e1);
}
buttonLink.setEnabled(true);
buttonDownload.setEnabled(false);
buttonDisconnect.setEnabled(false);
}

// 列出服务器端当前目录下的目录和文件名
public void showFileContents() {
int ch;
StringBuffer buf = new StringBuffer();
try {
inStream= myFtp.list(); // 得到主机端当前目录下所有文件和目录的输入数据流
while ((ch=inStream.read())>=0) { // 从输入流中读取数据
buf.append((char)ch); // 保存数据到缓冲区
}
textAreaContent.append(buf.toString()); // 将目录和文件名显示在文本框中
inStream.close(); // 关闭输入流
}
catch(Exception e) {
System.out.println("Error: " + e);
}
}

// 响应“断开”按钮的点击消息，连接到服务器端
void buttonDownload_actionPerformed(ActionEvent e) {
int ch;
StringBuffer buf = new StringBuffer();
buf.setLength(0);
try {
File dir = new File(textFieldDir.getText()); // 通过路径构造文件
File f = new File(dir, textFieldFile.getText()); // 通过路径和文件名构造一个文件
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(f, "rw"); // 构造一个随机访问文件
inStream = myFtp.get(textFieldFile.getText()); // 得到所选文件的输入流
while((ch = inStream.read())>=0) { // 读取数据流
buf.append((char)ch); // 将读取的数据存在缓冲区中
}
file.writeBytes(buf.toString()); // 将缓冲区中的数据以字符串形式写入文件
file.close(); // 关闭文件
JOptionPane msg = new JOptionPane(); // 提示对话框
JOptionPane.showMessageDialog(FtpClientFrame.this, "下载成功", "下载成功！", 1);
}
catch(Exception e1) {
System.out.println("Error: " + e1);
}
}

// 关闭窗口
protected void processWindowEvent(WindowEvent e) {
super.processWindowEvent(e);
if (e.getID() == WindowEvent.WINDOW_CLOSING) {
try {
if(inStream != null)
inStream.close();
}
catch(IOException e1) {
System.out.println("Error: " + e1);
}
System.exit(0);
}
}

// 主函数
public static void main(String[] args) {
new FtpClientFrame();
}
}

第四部分 分组名单
序号
组长
组员1
组员2
组员3
组员4
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

第五部分 要求
在本周五交课程设计文档（打印稿与电子版），如有特殊情况需提前告知，否则按本门课程不及格处理。