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北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（譯文）  15 數(shù)據(jù)通信實(shí)驗(yàn)中的套接字編程  ●  摘要  雖然許多數(shù)據(jù)通信的課程都沒有教授編程方面的內(nèi)容，但計(jì)算機(jī)專業(yè)課程的規(guī)劃應(yīng)該包括編程。許多有編程內(nèi)容的數(shù)據(jù)通信課程當(dāng)處理詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)層工程時(shí)利用了 接字編程允許學(xué)生們處理同樣的事情和問題，但是從文章中它看起來更有用，而且更有趣。另外，如果套接字類使用 C++，希望得到的對(duì)套接字的操作差不多都可以呈現(xiàn)出來。  ●  序論  數(shù)據(jù)通信是大多數(shù)管理信息系統(tǒng) (及服務(wù)器 /客戶端 (C/S)程序標(biāo)準(zhǔn)的一部分。目前作為課程廣泛改善實(shí)行的證據(jù)是提供教材的變化。許多 教材，無論是針對(duì) 是 很少或沒有提供實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。 程趨向強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)的管理。最近的新聞列表顯示了對(duì)使用數(shù)據(jù)通信和通信所提供的種類和方式的調(diào)查。無論國內(nèi)或國外，合作方案都非常流行。 程會(huì)使用一些非常技術(shù)和寬泛的教材。很明顯，一個(gè)工程的規(guī)劃需要更多廣泛和詳細(xì)的課程去研究數(shù)據(jù)通信的物理和結(jié)構(gòu)方面。  實(shí)驗(yàn)可能的類型同樣很廣泛。“全球合作模型”強(qiáng)迫教給我們數(shù)據(jù)通信如何工作，以用于復(fù)雜的通信機(jī)制和提供一個(gè)解釋這些系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)?；谔峁┑馁Y源，去考慮通過允許學(xué)生嘗試通信的不同的物理和邏輯類型 的設(shè)計(jì)選擇。  另一個(gè)極端是強(qiáng)調(diào)低水平的，數(shù)據(jù)通信物理理解的練習(xí) —— 幾乎是一個(gè)工程逼近。一個(gè)典型的例子是使用 連續(xù)的端口。除了編寫代碼去操作物理硬盤之外，更多復(fù)雜的概念將被研究。在作者過去使用過的資料中，利用一個(gè) 議和令牌環(huán)來實(shí)現(xiàn)文件傳送的分配。這個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟包括基于一個(gè)發(fā)展中的 據(jù)鏈路層的大規(guī)模工程。  這些步驟中沒有提供實(shí)際可操作的硬件經(jīng)驗(yàn)。除了這張紙中的練習(xí)，作者還安排了一個(gè)通過硬件和軟件的安裝將 聯(lián)網(wǎng)的工程。服務(wù)器需要額外的安裝和配置。當(dāng)套接字模型被采用時(shí)，這樣一個(gè) 工程就可以繼續(xù)下去。這里的步驟呈現(xiàn)了為學(xué)生們提供了一個(gè)數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)的廣闊視角。  ●  接字  簡單地講，套接字是一個(gè)機(jī)制，在相同或不同的機(jī)器上實(shí)現(xiàn)信息傳送的過程。如果這個(gè)過程在同樣的機(jī)器上，套接字可以用作管道。 接字允許運(yùn)行在不同的機(jī)器之間的通信。這個(gè)系統(tǒng)與 i/o 擁有同樣的調(diào)用。套接字編程的一個(gè)典型的步驟是創(chuàng)建一個(gè)過程，打開服務(wù)器套接字端口和偵聽另一個(gè)嘗試連接的過程?？蛻舳丝梢杂门c服務(wù)器端套接字同樣的端口號(hào)打開一個(gè)套接字，請求服務(wù)連接。如果服務(wù)器偵聽到這個(gè)請求，就建立了一個(gè) 連接。通信使用 )和 函數(shù)繼續(xù)。  北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（譯文）  16 通信有許多標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的類型，比較普遍地兩種是  用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）和  傳輸控制協(xié)議）。兩種協(xié)議都是經(jīng)過一個(gè)套接字過程傳送信息包。 提供一個(gè)數(shù)據(jù)被接收或者大量信息包被順序接收的保證。 一個(gè)可靠的和有次序的流協(xié)議。程序員在 接字上輸入和輸出，作為一個(gè)來自終端或文件的字節(jié)流出現(xiàn)。如果 據(jù)在一個(gè)合理的 時(shí)間內(nèi)不能被成功傳送，將會(huì)顯示一個(gè)錯(cuò)誤。由于在 涉及比較少的開頭部分，如果有次序收到數(shù)據(jù)非常重要，程序也就必須更加復(fù)雜。  兩個(gè)過程之間的套接字連接是兩臺(tái)主機(jī) /端口對(duì)之間的連接，端口號(hào)指示了提供的特殊服務(wù)。許多經(jīng) 接字的服務(wù)通常提供一個(gè)可識(shí)別的首字母縮寫詞：像 簡單郵件傳輸協(xié)議 , 用于電子郵件的傳輸）， 絡(luò)新聞傳輸協(xié)議 (和  文件傳送 [輸 ]協(xié)議）。 于遠(yuǎn)程聯(lián)接服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議或者實(shí)現(xiàn)此協(xié)議的軟件）是另外的套接字服務(wù)。 供了一種機(jī)制，憑借著提供服務(wù)的名字能夠譯出端口號(hào)。  ●  套接字的優(yōu)勢  數(shù)據(jù)通信實(shí)驗(yàn)中利用套接字編程的一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是沒有像 連續(xù)端口那樣多的直接硬件交互。然而，多數(shù)大學(xué)生不會(huì)處在這樣詳細(xì)的知識(shí)會(huì)很重要的情形中。即使有連續(xù)的端口，這個(gè)概念對(duì)許多學(xué)生來說仍然很抽象?；谔捉幼植襟E地優(yōu)勢是它將套接字的抽 象變得很具體。  在過去，基于 實(shí)驗(yàn)的一個(gè)優(yōu)勢是費(fèi)用的低廉。然而，至少有兩個(gè)因素來平衡這種優(yōu)勢。一是現(xiàn)在 作站普遍使用， 以通過安裝 免費(fèi)版本來轉(zhuǎn)換成工作站。另一個(gè)因素是，即使 相對(duì)便宜，實(shí)際上會(huì)出現(xiàn)老化，不穩(wěn)定，機(jī)器被分配到一個(gè)像數(shù)據(jù)通信實(shí)驗(yàn)這樣專注的工程。我們的經(jīng)驗(yàn)是我們可以負(fù)擔(dān)得起使用的機(jī)器都非常不穩(wěn)定。  雖然套接字編程的“高起點(diǎn)”的本性已經(jīng)作為一個(gè)優(yōu)勢強(qiáng)調(diào)了，但使得分配像我們所希望的那樣詳細(xì)同樣是可能的。沒有任何軟件支持的套接字編程需要大量“低起點(diǎn)”的理解和操作。一個(gè)簡 單是修改將是基于 而不是 的分配。許多附加的程序（經(jīng)環(huán)冗余碼校驗(yàn)）的錯(cuò)誤校驗(yàn)、順序數(shù)字、接收的確認(rèn)、接收錯(cuò)誤的否定確認(rèn)）都是必要的。無論是 是 ，適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)握手機(jī)制對(duì)文件傳輸這樣的程序來說都是必要的。  通過連續(xù)的端口分配，課程時(shí)間就可以投入到作為控制、狀態(tài)、數(shù)據(jù)記錄和類似連續(xù)轉(zhuǎn)換的低起點(diǎn)概念中。通過一個(gè)套接字步驟，就可以討論像信息報(bào)頭、網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器字節(jié)順序這樣類似的概念了。如果愿意，連續(xù)端口通信的許多適當(dāng)?shù)闹黝}都可以成為套接字程序和給出的許多相同分配的必須。即使分配了高起點(diǎn) 的應(yīng)用，學(xué)生們?nèi)匀槐仨毨斫饬骱途彌_區(qū)之間的不同。  北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（譯文）  17 ●  C++套接字類的優(yōu)勢  許多參考書提供了套接字通信的詳細(xì)情形，這些參考書提供了任務(wù)的例子和方法。所有建立通信、把通信轉(zhuǎn)換成緩沖區(qū)流和錯(cuò)誤校驗(yàn)的詳細(xì)情況都可以由 統(tǒng)調(diào)用完成。許多低起點(diǎn)的理解對(duì)于編寫穩(wěn)定的應(yīng)用程序來說是必須的。  一個(gè)設(shè)計(jì)得很好的 C++類可以被構(gòu)建用于使用簡單的語義學(xué)提供套接字的完全功能。編寫客戶到建立的服務(wù)器、事件驅(qū)動(dòng)服務(wù)器和輪流檢測服務(wù)器是可能的。  作者提供了一組 C++類，這些程序都是在 編寫的。他們是由 供的。這些類對(duì)給出的任務(wù)表現(xiàn)出了非常好的功能。它的接口與輸入輸出流和提供安全類型的輸入輸出一樣。在  中有套接字流類，就像其中有管道流類一樣。套接字緩沖區(qū)類來源于流緩沖區(qū)類。這樣，學(xué)生們必須學(xué)習(xí)關(guān)于沒有套接字輸入與輸出的流和緩沖區(qū)。  套接字緩沖區(qū)類包括錯(cuò)誤功能、準(zhǔn)備好檢測、直接操作、上溢出、下溢出和超時(shí)功能。套接字選項(xiàng)如消息路由、局部地址的再使用、廣播等等都要設(shè)置。這樣，套接字的詳細(xì)情形就可以如 希望的那樣了。  在我們特殊的課程中，使用這些 C++類一方面的益處是學(xué)生們必須在一年級(jí) /二年級(jí)的水平課程中使用到 C++語言，幫助他們保持學(xué)到的技能。  ●  任務(wù)  在選擇一個(gè)為期三學(xué)期的課程任務(wù)時(shí)，我們渴望實(shí)現(xiàn)很多目標(biāo)。我們被希望設(shè)計(jì)出一系列的任務(wù)來讓學(xué)生編寫一個(gè)客戶端的應(yīng)用、一個(gè)服務(wù)器的應(yīng)用、一個(gè)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，也提供一些像電子郵件和文件傳輸這樣一些標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。另外，任務(wù)應(yīng)該由簡單到復(fù)雜，循序漸進(jìn)。我們在下面列出了這些任務(wù)要點(diǎn)。  這些任務(wù)得到了學(xué)生們的良好反響。他們感覺到了實(shí)踐的樂趣，同時(shí)，也有了一個(gè)好的 計(jì)劃。一些以前沒有接觸過它們的學(xué)生經(jīng)過努力也都有非常好的結(jié)果。這五項(xiàng)明確的任務(wù)是：  ▲  任務(wù)一：套接字客戶端到電子郵件服務(wù)器  在本地或遠(yuǎn)程的機(jī)器上編寫一個(gè)客戶端程序去連接電子郵件服務(wù)器，然后發(fā)送一封電子郵件到一個(gè)用戶名（ 在電子郵件地址中 @符號(hào)之前的名稱）。用戶不必要是本地或遠(yuǎn)程機(jī)器上的。例如，這個(gè)程序可能叫做 括兩項(xiàng)任務(wù)：主機(jī)名和用戶名。  我們要求有一個(gè)簡單的命令行接口，但是學(xué)生們可以自由地發(fā)揮，做出更多精致的電子郵件類型接口來。  簡單郵件傳輸協(xié)議 , 用于電子郵件的傳輸）的命令是一定會(huì)用到的。列舉一些如下：  北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（譯文）  18         確認(rèn)連接機(jī)器 —— 本地名稱不需要 —— 一些服務(wù)器不需要一些要包括。                    發(fā)送命令列表        可以是你愿意的任何東西 —— 不經(jīng)過合法性的檢驗(yàn)  O：          郵件的容器 ——  不需要是本地名稱                    允許信息進(jìn)入 —— 以“ .”作為消息的終止字符                    斷開連接  同其他的任務(wù)一樣，這個(gè)任務(wù)也會(huì)帶給學(xué)生一些不合適的活動(dòng)。下面是提給學(xué)生們的一些警告：  顯然你可能在程序中做一些不禮貌的事情。例如，你可能從 里發(fā)送一串管理員的消息。這需要一些工作量，但這些消息的發(fā)送人將會(huì)被記錄。請不要熱衷于這樣幼稚的行為。  一些人可能會(huì)爭辯說這樣的任務(wù)太“危險(xiǎn)”  ，但是學(xué)生們可以學(xué)到如何操作套接字，能夠解決如何自己發(fā)送郵件的問題。我們的方法是承認(rèn)這樣一個(gè) 問題的存在并提出警告。  ▲  任務(wù)二：簡單的網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)器  編寫一個(gè)有如下特征的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器程序：  1. 從輸入套接字接受命令  2. 解釋命令并集合信息  3. 發(fā)送輸出命令到輸出套接字  你不需要為這個(gè)任務(wù)編寫一個(gè)客戶端程序，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的 用于遠(yuǎn)程聯(lián)接服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議或者實(shí)現(xiàn)此協(xié)議的軟件 ,遠(yuǎn)程登錄）客戶端將可以提供這樣的功能。 個(gè)信息的選擇提供系統(tǒng)命令，像域名等等。系統(tǒng)的功能可以從一個(gè) C++程序內(nèi)部執(zhí)行。困難的部分是將命令 的輸出并發(fā)送輸出到套接字與客戶端連接起來。命令的輸出應(yīng)該與套接字直接連接。建議有兩種途徑：用管道流類和用傳統(tǒng)的通過用戶構(gòu)造管道連接的 C 來執(zhí)行系統(tǒng)功能。  ▲  任務(wù)三：對(duì)等網(wǎng)絡(luò)套接字通信  編寫一個(gè)作為兩個(gè)相同程序執(zhí)行的“聊天”程序。它應(yīng)該允許用戶自定義連接過程的輸出所出現(xiàn)的信息。這兩個(gè)過程經(jīng)過一個(gè)套接字連接。程序?qū)⒃试S用戶連接一個(gè)確定的過程并監(jiān)聽另一個(gè)試圖連接的處理。  兩臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行相同的程序，任務(wù)必須包括這些要點(diǎn)：監(jiān)聽的超時(shí)、通過服務(wù)器程序創(chuàng)建子進(jìn)程、關(guān)閉套接字并終止子進(jìn)程。一個(gè)有限狀態(tài)過渡模 型應(yīng)該呈現(xiàn)出來幫助程序的設(shè)計(jì)。  ▲  任務(wù)四：文件傳輸 —— 服務(wù)器和客戶端  北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（譯文）  19 通過 P 網(wǎng)絡(luò)套接字連接編寫一個(gè)文件傳輸程序。  第一個(gè)程序應(yīng)該與一個(gè) 務(wù)器功能相同。它應(yīng)該在幕后運(yùn)行并等待一個(gè)指定端口的連接。第二個(gè)程序應(yīng)該與一個(gè) 戶端功能相同。因此，需要一個(gè)用戶接口。命令將通過響應(yīng)進(jìn)入并發(fā)送到服務(wù)器。文件應(yīng)該可以進(jìn)行雙向傳輸。  客戶端程序應(yīng)該通過響應(yīng)行為接受下列命令：                 服務(wù)器上文件列表               從客戶端到服務(wù)器傳送文件               從服務(wù)器到客戶端傳送文件               斷開與服務(wù)器的連接  ：       在客戶端執(zhí)行  這對(duì)服務(wù)器 /客戶端的性能比 簡單許多。 單文件傳輸協(xié)議）與它類似。舉例來說， 用 2 個(gè) 接，其中一個(gè)類似 接用于控制，另一個(gè)作數(shù)據(jù)傳輸。 一個(gè)簡單的 接并提供用戶訪問控制，目錄列表和變更，文件重命名和文件刪除。對(duì)于這些命令，這里只有目錄列表是需要的。 樣支持 個(gè)任務(wù)需要一個(gè)握手協(xié)議。  ▲  任務(wù)五：三個(gè)選擇  任務(wù)五 A：使用  件傳輸  建立 接字而不是 接字執(zhí)行任務(wù) 4 的文件傳輸程序。這個(gè)程序需要：  ⊙  集合數(shù)據(jù)包  ⊙  提供 誤校驗(yàn)  ⊙  提供包的先后順序  數(shù)據(jù)包可能不是按照順序到達(dá)，可能重復(fù)或丟失，需要重新請求或重新排列。每個(gè)數(shù)據(jù)包應(yīng)該被確認(rèn)（肯定地或否定地）。我們將采用一個(gè)協(xié)議來描述數(shù)據(jù)包的格式和錯(cuò)誤信息等等。為了測驗(yàn)使用的協(xié)議，允許用戶指定傳輸中將會(huì)出錯(cuò)的部分。  任務(wù)五 B：雙向文件傳輸  改為打開 2 個(gè)套接字執(zhí)行任 務(wù) 4 的文件傳輸程序，一個(gè)用于控制信息一個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸。另外，允許兩個(gè)程序同時(shí)來回地發(fā)送文件，通過控制信道取消傳送過程。使用多個(gè)子進(jìn)程將是有益的。（一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)器將會(huì)是一個(gè)好方法）。  著相似的工作方式。它有兩個(gè)套接字連接，但是基于不同的原因，因?yàn)樵谶@里它執(zhí)行的是一個(gè)真正的服務(wù)器 —— 客戶端協(xié)議，而不是對(duì)等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。  北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（譯文）  20 ▲  任務(wù)五 C：多用戶聊天程序  任務(wù)三涉及了對(duì)等網(wǎng)絡(luò)聊天程序。這個(gè)任務(wù)需要多路技術(shù)創(chuàng)造聊天服務(wù)器的程序，它能夠把握多重的套接字連接。沒有必要編寫客戶端程序因?yàn)榭梢允褂? 服 務(wù)器可以從任何套接字接受輸入行并把它們輸出到剩余的套接字連接。當(dāng)一個(gè)用戶連接到聊天服務(wù)器，服務(wù)器應(yīng)該及時(shí)提供一個(gè)用戶名。這個(gè)名字應(yīng)該被廣播到其余的用戶。在用戶離開時(shí)同樣要廣播一條消息。當(dāng)一個(gè)用戶的消息被發(fā)送到其它連接的用戶時(shí)，應(yīng)提供用戶名以供辨認(rèn)。  ●  結(jié)論  重新設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通信課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的目的是提供這樣的一些任務(wù)：  ⊙  給學(xué)生們更有意義和更實(shí)際的內(nèi)容  ⊙  更另人愉快的，因此也能更好完成的內(nèi)容  ⊙  更現(xiàn)代，但仍然強(qiáng)調(diào)對(duì)所發(fā)生內(nèi)容的理解而不僅僅是利用數(shù)據(jù)通信  ⊙  循序漸進(jìn)，環(huán)環(huán)相扣  ⊙  基于更加可靠的硬件，丟 棄了以前使用的   一旦這個(gè)套接字范例被選用，目的在于創(chuàng)造一些任務(wù)需要學(xué)生編寫這樣的代碼：  ⊙  利用 C++類  ⊙  提供一個(gè)簡單的客戶端有權(quán)使用定義明確的服務(wù)器  ⊙  提供簡單的服務(wù)器功能  ⊙  提供對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通信  ⊙  提供多路技術(shù)服務(wù)器功能  ⊙  通過一種方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)類似于眾所周知網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的功能  ⊙  需要學(xué)生們關(guān)注可靠通信  ⊙  使用一些 形態(tài)并進(jìn)行進(jìn)程間通信編程  這些任務(wù)在學(xué)生們中得到了非常好的反響。好學(xué)生發(fā)現(xiàn)通過設(shè)計(jì)好的用戶接口或提供增加功能性來增強(qiáng)計(jì)劃的方法?；A(chǔ)不是很好的學(xué)生能夠完成任務(wù)并發(fā)現(xiàn) 它們同樣有意義和有趣。作者在一所小的自由技術(shù)大學(xué)教授電腦科學(xué)的二十年中，這種實(shí)驗(yàn)任務(wù)的變化就像其它任何一門課程的變化一樣地被接受了。