电子信息工程课程设计指导书提纲-TCP服务器端.docx

2．基于Linux的TCP通信服务器端的实现
2.1设计要求
大家好，
今天,与教研室老师商量了一下题目,觉得你们组的这个题目有点难度,而且时间比较短,用LINUX可能会比麻烦，一是它使用的vi命令比较复杂，另外编译环境的安装也比较麻烦费时，而我们每个老师要带4个组没有太多时间，这周我们又要内审检查考试卷子，所以现在更改一下设计内容，不要求在Linux下做了，可以在windows环境下来做，多线程服务器端，用C++语言或JAVA语言。这样都做好了，如果有时间再熟悉一下Linux环境，等以后毕业设计的时候再实现Linux下的服务器。不知道你们的想法如何？也不知道你们以前是否有熟悉Linux的？如有什么问题请随时跟我联系。

2.1.1设计目的
在linux环境下,掌握TCP通信的服务器端实现方式。
2.1.2基本功能要求和设计目标
（1）能够侦听客户端的连接请求；
（2）建立独立的数据通信链路；
（3）在通信两端建立对等的通信协议；
（4）完成数据包的收发与存储；
2.1.3扩展功能
实现视频监控数据的采集以及控制命令的收发。
2.2参考示例
2.2.1案例说明
（1）TCP三次握手机制
为实现服务器端的TCP通信功能，服务器端需要能够接受多个客户端的通信请求，并建立多条TCP通信链路。TCP的连接建立叫做三次握手。
①客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。这是三次握手过程中的报文1。
②服务器端回应客户端的，这是三次握手中的第2个报文，这个报文同时带ACK标志和SYN标志。因此它表示对刚才客户端SYN报文的回应；同时又标志SYN给客户端，询问客户端是否准备好进行数据通讯。
③客户必须再次回应服务段一个ACK报文，这是报文段3，如图1。
数据传输是在连接建立后，双向的数据传送就可以开始。客户和服务器都可以在两个方向传送数据和确认。

图1 TCP协议建立连接三次握手过程
（2）套接字（Sockets）的概念
Windows下网络编程的规范——Windows Sockets是Windows下得到广泛应用的、开放的、支持多种协议的网络编程接口。
Socket又称套接字，是进程之间通信的抽象连接点。可以通过一个形象的例子来理解这个概念，现实生活中的电话是人们联系的常用工具，双方只要使用两部电话机就可以交谈。在计算机世界中，两个程序就是使用Socket 进行通信的，一个Socket就好比一部电话机，两个程序在网络上通过一个双向链路进行通信，这个双向链路的每一端就成为一个Socket。
进程之间要通信，首先要建立各自的Socket，就像要打电话一定要先有电话机一样，打电话时每部电话机都可以说和听。与此类似，每个Socket 也都可以进行读／写操作，读／写操作时分别要用到Socket中的输入流和输出流。

建立连接后，客户程序可以向Socket里写入请求，然后服务器会处理这个请求，并把处理结果通过Socket送回。服务器应用程序一般监听一个特定端口以等待一个客户的连接请求，当一个连接请求到达时，客户和服务器建立一个通信连接。在连接过程中，客户被分配一个本地端口号并且与一个Socket连接，客户通过写Socket来通知服务器，通过读Socket来获取信息。类似地，服务器也获取一个本地端口号，它需要一个新的端口号来监听原始端口上的其它连接请求。服务器也给它的本地端口连接一个Socket，读写来自客户的请求。根据网络通信的特征，套接字可分为两类：流套接字和数据报套接字。
① 流套接字
流套接字提供双向的、有序的、无重复并且无记录边界的数据流服务，它适用于处理大量数据。网络传输层可以将数据分散和集中到合适尺寸的数据包中。
流套接字是面向连接的，通信双方进行数据交换之前，必须建立一条路径，这样既确定了它们之间存在的路由，又保证了双方都是活动的、可彼此响应的，但通信双方之间建立一个通信信道需要很多开支。除此以外，大部分面向连接的协议为保证发送无误，可能会需要执行额外的计算机来验证正确性，因此会进一步增加开支。
②数据报套接字
数据报套接字支持双向的数据流，但并不保证数据传输的可靠性、有序性的和无重复性。也就是说，一个从数据报套接字接收信息的进程有可能发现信息重复，或者和发出时的顺序不同的情况。此外，数据报套接字的一个重要特点是它保留了记录边界。对于这一特点，数据报套接口采用了与现在许多包交换网络（例如以太网）非常类似的模型。
数据报套接字是无连接的，它不保证接收端是否正在侦听，类似于邮政服务：发信人把信装入邮箱即可，至于收件人是否能收到这封信或邮局是否能按时将信件投递到收件人处等，发件人都不得而知。因此，数据报并不可靠，需有程序员负责管理数据报的排序和可靠性。
应用程序一般仅在同一类的套接口间通信。不过只要底层的通信协议允许，不同类型的套接口也照样可以通信。
本设计采用面向连接的TCP协议，所以使用流套接字。
（3）客户机/服务器模型
TCP/IP协议应用的主要工作模式是客户机/服务器模式（Client/Server，简称C/S模式）。在两个不同进程的通信过程中，一方发出服务请求，一方提供服务，通常称它们为“客户进程”和“服务进程”。显然，两个进程之间的通信实际上是基于通信协议的进程的同步过程，服务进程作为自愿的提供者，为众多主机上的客户进程提供服务。服务进程要先于客户进程开启，在某一确定的网络地址（IP地址+端口号）等待客户进程的请求，如有请求到达，服务进程采取某种方式（并发服务或者重复服务），直到客户进程关闭，然后服务进程继续等待下一个请求服务的进程。
服务器通常采用并发服务的方式。所谓并发服务，就是服务进程在有客户请求到来时，激活新的进程来专门为此客户请求提供服务，并在客户终止请求后杀死该进程，与此同时，原先的进程可以继续在原来的端口等待下一个客户的连接。Socket编程接口为新的请求创建一个专门的“数据套接字”，并发服务器根据该套接字创建专门的服务进程。并发服务的最大优点是能及时相应请求，虽然创建新进程会增加系统开销。与此相对应的是重复服务，它利用“数据套接字”，在监听的进程上直接进行服务。需要说明的是，两种类型的Socket(SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM)的工作流程是不同的，分别如图2和图3所示。

创建流失套接字S
关闭套接字S，停止服务
接受客户连接，创建数据套接字ns
利用ns和客户进程通信，提供服务（是否激活新进程依靠服务器类型而定）
关闭ns，若是并打服务，还需要退出该进程
将S和本地地址和端口绑定
创建流套接字cs
监听，等待连接请求
利用cs和远程服务器建立连接
利用cs和服务器进程通信，完成数据传输
关闭套接字cs，结束TCP会话
客户机
建立连接
请求/应答
服务器

图2流套接字服务的工作流程示意图
创建数据报套接字S
将S和本地地址和端口绑定
相应客户请求，完成数据传输
关闭套接字S，停止服务
创建流套接字cs
利用cs和远程服务器建立连接
利用cs和服务器进程通信，完成数据传输
关闭套接字cs，结束UDP会话
客户机
服务器

图3数据报套接字服务的工作流程示意图

2.2.2网络结构设计
（1）网络拓扑结构采用星型连接。

（2）使用10/100Mbps的网卡。
（3）软件实现编程语言采用C语言，利用socket进行通信。
（4）开发平台linux。由于linux能够提供强大的网络支持，以及安全特性，当前主流服务器端都采用linux平台构筑。
2.2.3软件设计
设计流程图:

图4 软件流程图
（1）建立一个用于侦听的socket，始终在端口2000进行侦听。
（2）当有客户端发出链路请求，侦听链路接受，并且建立数据链路，在独立的线程进行数据通信。
（3）拆分通信数据包，数据包最大长度为1KB，在每个数据包包头的1个字节，用于描述数据包的序号，循环计数。也就是说，包头的第一个数据依次为0，1，2…..255，超过255后，从0开始重新计数。
（4）接收的的数据，写入文件，每个文件最大长度上限为1MB。
2.2.5参考程序清单
2.2.6测试方法
1.使用客户端与服务器端进行联机，确认收发数据正确；
2.在服务器端,使用TCPDUMP截获数据进行分析，确保数据正确。
2.2.7思考与提高
TCP通信是提供多种网络的通信基础，掌握TCP通信的原理，以及了解TCP通信三次握手的通信协议，就能为提供各种网络服务提供支持，例如，各种监控视频数据的网络传输，提供网络打印服务等等。这些应用可以在此基础上进行拓展。本次设计仅简单的实现了TCP通信最基本的通信与数据处理，在将来的设计中，以下方面可以进行完善。诸如：会话层数据协议，程序的排错机制，数据的存储备份机制等。