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第1页共20页基于TCP协议的网络通信系统的设计与实现摘要:网络通信，由于其具有实时性、跨平台性、成本低、效率高等优点而受到广泛的使用。设计并实现一个能够处理多用户进行实时、安全的即时通信系统具有较强的现实意义。即时通信的底层通信是通过SOCKET套接字接口实现的。当前的主流UNIX系统和微软的WINDOWS系统都在内核提供了对SOCKET字接口的支持。使用这个统一的接口，可以编写一个可移植的TCP/IP通信程序。使信息能够在INTERNET上可靠的传输。本文设计并实现了基于局域网内的简单即时通信系统，系统采用C/S模式，底层通信通过SOCKET套接字接口实现，服务器负责客户端的登录验证，好友信息的保存和心跳报文的发送。客户端采用P2P方式实现消息传递，并能实现文件的传输。本文首先讨论了同步套接字，异步套接字，多线程并发执行任务等；然后阐述了客户端、服务器如何使用XML序列化的消息进行通信。关键词：即时通信；文件传输；套接字；TCP协议Abstract:Instantmessageshaveseveraladvantagessuchasreal-time,cross-platform,cheapandefficient.TodesignaMulti-userIM(instantmessage)architectureisveryimportantinboththeoryandrealism.InstantmessagebasedonTCP/IPprotocolthatisrealizedbysocketinterface.AlmostallUNIXoperationsystemsandMicrosoft'swindowsoperationsystemsprovidesupportofsocketinthekernel.Usingtheuniforminterface,wecandevelopaportableprogramofTCP/IP,whichhelpustransferinformationinInternetsafelyandcredibly.Thesystemusestheclient/server(C/S)mode.Theservertakestheresponsibilityoftheloginmessageofclient,thesavingoffriendmessageandMessageheartbeat.ThetransmissionofthebasicmessagesofthecustomerendwillbedesignedonP2Parchitecture.ThisthesisexplainshowtheclientandservercommunicateviaserializingXMLmessage.Keywords:InstantMessage;FileTransfer;Socket;TCPprotocol第2页共20页引言1.1课题背景即时通信是一个终端连往一个即时通信网路的服务。即时通信不同于e-mail在于它的交谈是实时的。大部分的即时通信服务提供了presenceawareness的特性──显示联络人名单，联络人是否在在线与能否与联络人交谈。最早的即时通信软件是ICQ，ICQ是英文中Iseekyou的谐音，意思是我找你。四名以色列青年于1996年7月成立Mirabilis公司，并在11月份发布了最初的ICQ版本，在六个月内有85万用户注册使用。在因特网上受欢迎的即时通信服务包含了MSNMessenger、AOLInstantMessenger、Yahoo!Messenger、NETMessengerService、Jabber、ICQ与QQ。这些服务有赖于许多想法更久的(与普遍)的在线聊天媒介，如InternetRelayChat一样知名。1970年代早期，一种更早的即时通信形式是柏拉图系统(PLATOsystem)。之后在1980年代，UNIX/Linux的交谈实时信息被广泛的使用于工程师与学术界，1990年代即时通信更跨越了因特网交流。1996年11月，ICQ是首个广泛被非UNIX/Linux使用者用于因特网的即时通信软件。在ICQ的介绍之后，同时在许多地方有一定数量的即时通信方式发展，且各式的即时通信程序有独立的协议，无法彼此互通。这引导使用者同时执行两个以上的即时通信软件，或者他们可以使用支持多协议的终端软件，如Gaim、Trillian或Jabber。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状当今，国际上对网络通信系统研究的较好的公司有，思科，Sun，Ms等公司，思科主要研究的是底层的传输；MS，Sun公司研究的是应用层。其中ms公司凭借其在操作系统的垄断地位，为了在网络的发展中取得先机，采用了各种各样的手段。但是，其捆绑的msn，无论从功能上，还是技术上来说，都不算是非常先进的。当然，ie，同样也不是很受人青睐，这让人想起了，当年的网景公司，网景只是生不逢时。MS不择手段的想打跨网景，可见其对网络的重视。如今，Sun公司在网络应用上捷足先登，凭借着Java，Sun在网络的应用上领先于MS。微软，想用同样的办法搞跨对手，因此它拿出了Visualc#，来对抗Java。这些都是在应用层面的开发工具。应用层上的产品就更显种类繁多。ICQ几乎是国际上通用的即时通信工具，由于在我国它的应用不是很广，所以，其原理也很少被介绍。msn，是MS的产品，同样在国内没什么市场，所以，对其原理，也很少被讨论过。至于ie，是在Visualc++下开发的产品，虽然有严重的安全隐患，不过，至少能在某种程度上代表当今国际研究的水平。此外，国际上最近出先了新的浏览器Firefox，其性能据说是远高于ie，也许在网络的天下，Ms又有了更强劲的对手。1.2.2国内研究现状国内在应用层上的网络应用软件目前发展异常的火爆，因为我国有着网络应用的最大的市场，现在国内网络的基础性建设发展迅速，应用软件也层出不穷，其中，在游戏的领域中，网络通信的工作做的不错，如联众游戏平台，还有其他的一些平台，这些平台基本上都是基于VC++的，用的都是Socket通信，但是为了效率，这些平台没有用MFC提供的CSocket类，而是直接用Socket进行通信。所以效率上不错。此外，tencent的即时通信，也是做的很好的，从某中程度上来说，代表了国内最高的水平。第3页共20页1.3本课题的研究方法本系统采用C/S（Client/Server）结构进行设计,使用SQLServer2000构建数据库，并在.NET环境下使用VisualC#.net语言和SOCKET套接字开发一个基于TCP协议的简单即时通信软件，实现简单的即时聊天，文件传输等功能。2相关技术介绍2.1.NET开发平台及C＃.NET开发语言NET框架是Microsoft公司推出的一种全新的开发平台,提供了统一的、面向对象并且可以扩展的编程类库和完善的集成开发环境,大大简化了应用程序的开发过程,并且具有良好的移植性和安全性。微软为了推行.NET战略，特别为.NET平台设计了一种语言——C#。C#是由C和C++派生而来的一种“简单、流行、面向对象、类型安全”的程序设计语言，其综合了Visualbasic的高效率和C++的强大功能，然而更多的人感觉C#更类似JAVA。2.2TCP协议2.2.1TCP/IP网络协议协议是对等的网络实体之间通信的规则，可以简单地理解为网络上各计算机彼此交流的一种“语言”。网络通信协议设计的基本原则是层次化，层和协议的集合被称为网络体系结构。相邻层之间的接口定义了下层向上层提供的基本操作和服务，下层向上层提供的服务分两种形式：面向连接的服务和无连接的服务。计算机网络中已经形成的网络体系结构主要有两个：OSI参考模型和TCP/IP参考模型。TCP/IP参考模型是因特网（Internet）的基础。和OSI的7层协议相比，TCP/IP协议只有4个层次。通常说的TCP/IP是一组协议的总称，TCP/IP实际上是一个协议族，包括100多个相互关联的协议，其中IP(InternetProtocol,网际协议)是网络层最主要的协议；TCP(TransmissionControlProtocol,传输控制协议)和UDP(UserDatagramProtocol,用户数据报协议是传输层中最主要的协议)，一般认为IP、TCP、UDP是最根本的三种协议，是其他协议的基础。2.2.2TCP——传输控制协议：面向连接的通信可以使用可靠通信，在这时候，第四层协议发送数据接收方的确认，如果未收到数据或者数据被损坏，则请求重新传输。TCP协议就使用这种可靠通信。使用TCP协议的应用层协议包括HTTP、FTP、SMTP和Telnet等。现在可以发送和接收消息了。接收消息后，总是返回ACK消息。如果在收到ACK之前发送方已经超时，则消息将被放到重发队列中以再次发送。由于它的握手机制，所以TCP协议比较复杂并且费时，但此协议在处理数据时对数据包的传送有保障，从而使得在应用程序协议中不需要再包括该功能。2.3套接字套接字这个术语并没有定义某个协议：它具有两层含义，但两者都与一个协议相关。第一个含义是套接字编程API，它最初由伯克利大学为BSDUNIX而创建。BSD套接字在经过修改后被用作Windows环境的编程接口（并且被命名为WinSock）。WinSockAPI被包装在System.Net.sockets命名空间的.NET类中。WindowsSockets是一个独立于协议的编程接口，用于编写网络应用程序。2.4流2.4.1流的基本概念流的概念已经存在很长时间了。流是一个用于传输数据的对象。数据的传输有两个方向：第4页共20页1)如果数据从外部源传输到程序中，这就是读取流。2)如果数据从程序传输到外部源，这就是写入流。外部源常常是一个文件，但也不完全都是文件，它还可以是：1)网络，使用一定的网络协议与网络上其它计算机或终端交换数据。2）一个指定的管道。3)一块内存区域。2.5同步、异步、阻塞和非阻塞同步（synchronous）：所谓同步方式，就是发送方发送数据包以后，不等接受方响应，就接着发送下一个数据包。异步（asynchronous）：异步方式就是当发送方发送一个数据包以后，一直等到接受方响应后，才接着发送下一个数据包。阻塞（Block）：指执行此套接字的网络调用时，直到调用成功才返回，否则此套节字就一直阻塞在网络调用上，比如调用StreamReader类的Readlin()方法读取网络缓冲区中的数据，如果调用的时候没有数据到达，那么此Readlin()方法将一直挂在调用上，直到读到一些数据，此函数调用才返回。非阻塞（Unblock）：指在执行此套接字的网络调用时，不管是否执行成功，都立即返回。同样调用StreamReader类的Readlin()方法读取网络缓冲区中数据，不管是否读到数据都立即返回，而不会一直挂在此函数调用上。在Windows网络通信软件开发中，最为常用的方法就是异步非阻塞套接字。平常所说的C/S（客户端/服务器）结构的软件采用的方式就是异步非阻塞模式的。其实在用C＃进行网络编程中，我们并不需要了解什么同步、异步、阻塞和非阻塞的原理和工作机制，因为在.NetFrameWrokSDK中已经已经把这些机制给封装好了。3.系统总体设计3.1需求分析软件针对局域网内部用户，实现用户间的即时通信。需要分别实现服务器端和客户端的软件设计。服务器端负责监听用户连接请求，负责连接数据库存储用户信息，负责发送给用户好友信息，负责发送心跳报文检查用户在线状态并即时让用户更新好友在新信息。客户端发起主动连接，向服务器请求登录或者注册。客户端可以修改昵称，可以加已知用户为好友（类似于MSN的好友添加功能）。客户端之间可以发起P2P模式的聊天，可以传送文件。3.2系统基本架构基于C/S架构的即时通信软件便于对用户信息进行统一管理和保存，面向特定的用户，对信息的安全控制能力很强。