广播通信设计——WinSock编程

广播通信设计

源代码文件：https://download.****.net/download/WXY19990803/12450932

一、设计要求

• 设计要求是通过学习winSock API编程，实现局域网消息广播的应用程序。
• 系统采用CS架构的方式，具有服务端和客户端。完成的功能有私聊、群聊和私聊时的文件传输，私聊和文件传输采用TCP协议，群聊采用UDP协议。服务端只作为私聊信息的记录和转发，以及在线用户的更新。文件传输和聊天功能工作方式不同。文件传输的服务器由客户端提供，文件传输的客户端由系统客户端的私聊模块提供。而聊天功能的服务器由系统服务端提供，聊天功能的客户端由系统客户端提供。

二、开发环境与工具

• 开发系统：Win10
• 开发工具：Qt 5.6
• 开发语言：C++

三、设计原理

• 系统的设计采用了TCP协议和UDP协议，TCP作为面向连接的传输，传输的信息是可靠的，所以在系统的设计中选择TCP协议来作为用户一对一私聊和文件传输。UDP是面向无连接的协议，它本身是适合广播信息的，所以使用UDP协议来进行群聊的实现。
• 本系统的设计是使用Qt实现的，而非纯粹的c++语言。这么说的原因在于Qt里的一些函数是对C++语言进行封装过的，就拿这次要使用的WinSock编程来说，函数的使用是有区别的，在这里只介绍Qt中的WinSock编程方法（包括TCP协议编程和UDP协议编程）。
• 先说TCP编程，分为服务端和客户端。在服务端需要设置两个套接字，一个是监听套接字QTcpServer，一个是通信套接字QTcpSocket。监听套接字在设置为监听状态后可以和客户端连接，连接后服务端可以在连接中取出通信套接字来进行数据的传送。在客户端需要设置通信套接字QTcpSocket，该套接字要主动与服务端连接才能进行通信。编程原理如图3.1所示。
  
• 其次是UDP编程，也分为服务端与客户端，相对于TCP编程来说，UDP编程要简单些，他没有面向连接的过程，只需要接收广播的信号即可。客户端和服务端都需要设置一个通信套接字QUdpSocket，不同的在于服务端的套接字需要绑定才能工作，然后才能发送接收数据。UDP编程原理如图3.2所示。

四、系统功能描述及软件模块划分

• 系统所实现的主要功能是用户一对一的私聊和文件传输，以及用户之间的群聊。并设定每台pc机只能注册一个用户，使用的是本地IP地址，一台pc机多次申请连接会报错（IP地址重复）。
• 软件包含两大主要模块，一是客户端模块 chat_client，二是服务端模块chat_server，分别说下两大模块。
• 首先是客户端模块 chat_client，该模块下面有四个小模块，分别是主模块 widget、私聊模块 chat、文件发送进度显示模块 filesend 和文件接收进度显示模块 filercv，主要说主模块 widget 和私聊模块 chat。主模块的功能有文件传输服务端TCP配置（用来接收其他用户发来的文件）、与服务端模块chat_server的定时连接（防止连接不上的情况）、处理UDP收到的广播消息（包括处理服务端返回的信息处理以及群聊信息的处理）、接收服务器返回的私聊TCP信息（服务端中转私聊信息）、获取本地IP地址（系统采用本地唯一IP地址进行用户注册）、以及私聊群聊方式的设置和群聊信息的发送功能。接着是私聊模块 chat，私聊模块可以说是主模块的子模块，实现的功能包括发送自己的私聊消息和接收对方的私聊消息并显示，除此之外，就是作为文件传输的客户端。
• 然后是服务端模块 chat_server，该模块没有子模块，就一个主模块 widget。主模块的功能除了服务端界面的布局外，还有作为私聊TCP信息的服务端（接收用户传来的私聊信息并解析显示出内容，作为中转站将信息转发给目的IP）、处理UDP信息（包括处理新加用户和退出用户信息）、更新现有用户信息并广播该信息给客户端模块更新数据。

五、设计步骤
本次系统的设计主要是为了实现三个功能，一是使用TCP协议完成用户一对一的私聊；二是使用UDP协议完成广播信息的处理；三是使用TCP协议完成用户一对一之间的文件传输。

• 先说使用UDP协议实现群聊广播信息的处理。在本系统的设计中，UDP协议除了处理广播数据外，还为单播数据工作。设计中有三个地方用到了UDP协议，一是用户名的返回（系统的用户名由服务端自动产生发送给客户端）；二是服务端广播更新后的用户数据；三是群聊广播信息的处理，对三种信息的处理是通过标志位来实现判断的。系统中使用UDP协议的只有客户端的主模块widget和服务端的主模块widget。UDP协议实现的服务端就在系统服务端主模块中。该协议实现的功能主要流程图如图5.1和图5.2所示。

图5.1：UDP协议在客户端的主要函数流程

图5.2：UDP协议在服务端的主要函数流程

• 再说使用TCP协议实现用户一对一私聊的功能实现。私聊信息是在客户端模块 chat_client里的子模块chat中发出的（由子模块widget创建的chat对象实现），然后发给服务端模块 chat_server进行中转，最后由客户端模块 chat_client里的子模块widget接收（接收的内容也是在由子模块widget创建的chat对象中显示）。该功能实现的主要流程图如图5.3所示。

图5.3：实现私聊功能的主要函数流程

• 最后是使用TCP协议进行文件数据的传输。文件传输的客户端是在客户端模块下的子模块chat中定义的，服务端是在客户端模块下的主模块widget中定义的，也就是说文件传输功能没有用到系统的服务端，所有功能都是在系统客户端中实现的。直接作用体现在当用户1在给用户2发送文件时，用户1使用私聊模块chat选择文件进行发送，用户2使用主模块widget对对方发送的文件进行确认和接收。该功能实现的主要函数流程如图5.4所示：
  
  图5.4：文件传输主要函数流程

六、关键问题及其解决方法

• 设计过程中主要有两个关键问题。第一个是UDP广播信息的处理，因为在设计过程中需要广播几类信息，需要将每类信息加上标记位，也就是封装不同的信息，除此之外用户更新信息是一次性全部发出，用户接受后需要对信息进行判断，以及解析，就如同要封装成数据报一样先广播在接受一点点解析。如何封装和解析成了一个难题，首先是所有用户信息的储存（每个用户对应一个用户名和一个IP地址），我查资料找到了QT中“#include ”容器头文件的用法，他可以将每个用户按照“键：值”的方式一起存储。接着是找到了“#include ”流头文件的用法，他可以将没一个信息按照流的方式存储，然后在解析，实现了UDP广播信息的处理。
• 第二个关键问题是文件传输中出现了问题，文件传输有时候文件内容过多（文件太大）或出现内容丢失导致接收的文件出现损坏，然后我想到了将文件按每份4k的内容块进行传输，知道传完。
• 代码实现后，虽说文件传输的最大内容有所提升，但还是在接收大文件时出现了文件内容丢失文件损坏的情况，这个是个遗憾，未能解决。

七、设计结果
软件正常运行是先打开服务端，再打开客户端，服务端界面如图7.1所示，客户端界面如图7.2所示。

图7.1：服务端界面

图7.2：客户端界面
在先后打开服务端和客户端后，服务端会有消息显示已有用户连接，并返回自动生成的用户名在客户端显示（Usr_1）。私聊功能只需要在客户端双击你想私聊的用户即可进入私聊界面，如图7.3所示。

图7.3：私聊界面

思考题：简述单播、广播、多播的区别与联系，以及各自的优缺点和适应范围。

• 单播：主机之间一对一的通讯方式，网络中的交换机和路由器对数据只进行转发不进行复制。如果10个客户机需要相同的数据，则服务器需要逐一传送，重复10次相同的工作。但由于其能够针对每个客户的及时响应，所以现在的网页浏览全部都是采用单播模式，具体的说就是IP单播协议。网络中的路由器和交换机根据其目标地址选择传输路径，将IP单播数据传送到其指定的目的地。
• 单播优点：服务器能够及时响应客户的请求，能够对不同的用户实现个性化服务。
• 单播缺点：当用户量大时，容易造成网络阻塞
• 广播：主机之间一对所有的通讯方式，网络对其中每一台主机发出的信号都进行无条件复制并转发，所有主机都可以接收到所有信息（不管你是否需要），由于其不用路径选择，所以其网络成本可以很低廉。有线电视网就是典型的广播型网络。
• 广播优点：网络建立和维护简单，服务器流量负载低。
• 广播缺点：无法实现对每个用户进行及时的个性化服务。
• 多播（组播）：主机之间一对一组的通讯模式，也就是加入了同一个组的主机可以接受到此组内的所有数据，网络中的交换机和路由器只向有需求者复制并转发其所需数据。
• 多播优点：具备单播和广播的优点，最具有发展前景。
• 多播缺点：与单播相比没有纠错机制，发送丢包错包后难以弥补。

八、软件使用说明
软件中有两个工程文件，一个是客户端工程文件chat_client，一个是服务端工程文件chat_server，使用QT打开各个工程文件的.pro文件即可。在正常使用软件时需要先打开服务端在打开客户端，否则先打开客户端会出现出错提示，注意，软件设计时是采用一台PC机只能注册一个用户的原则，采用的是唯一IP地址进行注册，但没有限制自己与自己私聊和传输文件，目的在于测试。在正常打开软件后，如果要私聊，双击用户列表中的用户即可进入私聊界面，在私聊界面中可以进行文件传输。如果要群聊，点击“开始群聊”按钮即可进入群聊界面。退出软件点击“退出”即可。服务端打开后是不需要任何操作的，他自动显示用户一对一之间的私聊信息，但是不能显示文件传输信息和群聊信息。

九、参考资料
书籍资料：
[1]张会勇. WinSock网络编程经络. 电子工业出版社，2012.
[2]王艳平. Windows网络与通信程序设计. 人民邮电出版社，2009
[3]唐文超. Visual C++网络编程. 清华大学出版社，2013

视频资料：
[1]网址：https://www.bilibili.com/video/av20446734?p=1