计算机网络编程实验报告(实现TCP、UDP数据传输)

计算机网络编程实验

实验题目：实现TCP、UDP数据传输

学生姓名：

学生学号：

学生班级：

指导老师：

一、实验目的

1.掌握套接字SOCKET的原理、开发；

2.掌握TCP、UDP协议的实现。

二、实验原理

1.SOCKET原理

①套接字（socket）概念

套接字（socket）是通信的基石，是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示，包含进行网络通信必须的五种信息：连接使用的协议、本地主机的IP地址、本地进程的协议端口、远地主机的IP地址、远地进程的协议端口。创建Socket连接时，可以指定使用的传输层协议，Socket可以支持不同的传输层协议（TCP或UDP），当使用TCP协议进行连接时，该Socket连接就是一个TCP连接。

②建立socket连接

建立Socket连接至少需要一对套接字，其中一个运行于客户端，称为ClientSocket，另一个运行于服务器端，称为ServerSocket。

套接字之间的连接过程分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。

服务器监听：服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态，等待客户端的连接请求。

客户端请求：指客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端的套接字。为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出服务器端套接字的地址和端口号，然后就向服务器端的套接字提出连接请求。

连接确认：当服务器端套接字监听到或者接收到客户端套接字的连接请求时，就响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，双方就正式建立连接。而服务器端套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求。

2.TCP原理

①TCP是面向连接的传输控制协议，提供可靠的连接服务，所发送数据是有序的，字节流的。TCP连接的端口叫套接字socket或插口，采用三次握手确认建立一个连接:

位码即TCP标志位,有6种标示:SYN(synchronous建立联机)，

ACK(acknowledgement确认)，PSH(push传送)，FIN(finish结束)，RST(reset 重置)，URG(urgent紧急)

在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，采用三次握手建立一个连接。

第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND 状态，等待服务器确认。

第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态。

第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包

ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据。

没有数据需要发送后，则通过四次挥手释放连接：

第一次挥手：客户端主动关闭，向服务器发送FIN报文，进入FIN_WAIT_1状态，表明无数据要发送了。

第二次挥手：服务器收到客户端发送的FIN报文，向客户端回复确认ACK报文，进入FIN_WAIT_2状态，表明无数据要发送了。

第三次挥手：服务器向客户端发送FIN报文，请求关闭连接并进入CLOSE_WAIT 状态。

第四次挥手：客户端收到服务器发送的FIN报文，向服务器发送ACK报文后进入TIME_WAIT状态;服务器收到；客户端的ACK报文段后就关闭连接；此时，客户端等待2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，则客户端也可以关闭连接了。

②java中用于TCP协议的socket编程的主要API有：

●https://www.360docs.net/doc/b913232002.html,.ServerSocket是用来创建服务器端的套接字socket。

●https://www.360docs.net/doc/b913232002.html,.Socket是用来创建客户端的套接字socket。

●InetAddress（https://www.360docs.net/doc/b913232002.html,.InetAddress）类：用来表示IP地址。

●凡是基于TCP创建的套接字可以叫做流套接字。

●服务器端相当于一个监听器，用来监听端口。

●服务器与客服端之间的通讯都是输入输出流来实现的。

3.UDP原理

①UDP是面向无连接的传输层协议，其连接的建立不必像TCP那样需要服器端侦听，也不需要有客户机端请求连接，属于一种“强制”性的网络连接。UDP提供无连接的数据报服务。该服务对消息中传输的数据提供不可靠的、最大努力的传送。这意味着它不保证数据的到达，可不保证所传送数据报的顺序是否正确，UDP 不重新传输丢失的数据。

②java中用于UDP协议的socket编程的主要API有：

●https://www.360docs.net/doc/b913232002.html,.DatagramSocket（数据电报套接字）。

●https://www.360docs.net/doc/b913232002.html,.DatagramPacket（数据电报包，里面包含了发送的信息）。

●基于UDP的套接字就是数据报套接字。

●两个都要先构造好相应的数据包。

●在DatagramPacket包中的函数intgetLength()返回实际接受的字节数，

byte[]getData()返回接受到的数据。

●要想接受端给发送端回信息，就需要知道发送端的IP地址InetAddress

getAddress()和发送端进程所绑定的端口号int getPort()。

●数据报套接字发送成功之后，就相当于建立了一个虚连接，双方可以发送数

据。

三、实验方法

1.拓扑图

2.实验环境

Windows10，MyEclipse2014，VMware Workstation pro下Windows7

3.程序语言

Java

4.版本

型号为X555LF的微机一台，虚拟机为VMware Workstation pro12

四、实验内容

1.程序源代码、注释

①TCP编程

服务端程序：

package internet;

import java.io.BufferedReader;

import java.io.BufferedWriter;

import java.io.InputStreamReader;

import java.io.OutputStreamWriter;

import https://www.360docs.net/doc/b913232002.html,.ServerSocket;

import https://www.360docs.net/doc/b913232002.html,.Socket;

public class TCPserver{//服务器

public static void main(String[]args)throws Exception{

System.out.println("server start...");

ServerSocket ss=new ServerSocket(10086);//建立服务器socket

Socket s=ss.accept();//调用accept（），产生阻塞，监听指定的端口，等待客户端的连接

System.out.println(s.getInetAddress().getHostAddress()+"...connection");

BufferedReader br=new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream())); //读取客户的信息的输入流

BufferedWriter bw=new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()));//向客户端发送信息输出流

bw.write("thank you!");//服务器端收到信息后，将回应信息返回给客户端

bw.newLine();

bw.flush();

String receiveData=null;

while((receiveData=br.readLine())!=null){

System.out.println("receive data:"+receiveData);

}

s.close();

ss.close();

}

}

客户端程序：

package internet;

import java.io.BufferedReader;

import java.io.InputStreamReader;

import java.io.OutputStreamWriter;

import java.io.PrintWriter;

import https://www.360docs.net/doc/b913232002.html,.Socket;

public class TCPclient{//客户端

public static void main(String[]args)throws Exception{

Socket s=new Socket("192.168.160.2",10086);//建立tcp客户端socket，要确定要连接的服务器ip，port

PrintWriter pw=new PrintWriter(new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()));//获取输出流，向服务端发送信息

pw.write("30013");

pw.flush();

s.shutdownOutput();

BufferedReader br=new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream())); //获取输入流，读取服务端的相应信息

String sendDataStr=null;

while((sendDataStr=br.readLine())!=null){

if(sendDataStr.equals("bye")){//关闭连接

break;

}

}

br.close();//关闭资源

pw.close();

s.close();

}

}

②UDP编程

服务端程序：

package internet;

import java.io.IOException;

import https://www.360docs.net/doc/b913232002.html,.DatagramPacket;

import https://www.360docs.net/doc/b913232002.html,.DatagramSocket;

import https://www.360docs.net/doc/b913232002.html,.InetAddress;

public class UDPserver{

public static void main(String[]args)throws IOException{

/*

*接收客户端发送的数据

*/

DatagramSocket socket=new DatagramSocket(10086);//创建服务器端DatagramSocket，指定端口

byte[]data1=new byte[1024];//创建字节数组，指定接收的数据包的大小

DatagramPacket packet1=new DatagramPacket(data1,data1.length);

System.out.println("server start....");

socket.receive(packet1);//此方法在接收到数据报之前会一直阻塞

String info=new String(data1,0,packet1.getLength());

System.out.println("I'm server,receive from client："+info);

/*

*向客户端响应数据

*/

InetAddress address=packet1.getAddress();//定义客户端的地址、端口号、数据

int port=packet1.getPort();

byte[]data2="thank you!".getBytes();

DatagramPacket packet2=new DatagramPacket(data2,data2.length,address,port);//创

建数据报，包含响应的数据信息

socket.send(packet2);//响应客户端

socket.close();

}

}

客户端程序：

package internet;

import java.io.IOException;

import https://www.360docs.net/doc/b913232002.html,.DatagramPacket;

import https://www.360docs.net/doc/b913232002.html,.DatagramSocket;

import https://www.360docs.net/doc/b913232002.html,.InetAddress;

public class UDPclient{

public static void main(String[]args)throws IOException{

/*

*向服务器端发送数据

*/

//定义服务器的地址、端口号、数据

InetAddress address=InetAddress.getByName("192.168.160.2");

int port=10086;

byte[]data1="30013".getBytes();

DatagramPacket packet=new DatagramPacket(data1,data1.length,address,port);//创建数据报，包含发送的数据信息

DatagramSocket socket=new DatagramSocket();//创建DatagramSocket对象

socket.send(packet);//向服务器端发送数据报

/*

*接收服务器端响应的数据

*/

byte[]data2=new byte[1024];//创建数据报，用于接收服务器端响应的数据

DatagramPacket packet2=new DatagramPacket(data2,data2.length);

socket.receive(packet2);//接收服务器响应的数据

String reply=new String(data2,0,packet2.getLength());//读取数据

System.out.println("I'm client,server reply："+reply);

socket.close();

}

}

2.实验结果截图

①TCP编程实验结果：

②UDP编程实验结果：

3.发送了哪些TCP、UDP包？（抓包分析）

①TCP编程

请求连接到关闭连接所抓到的包：

TCP三次握手：

第一次握手：客户端向服务器发送连接请求，发送SYN包到服务器。

第二次握手：服务器收到SYN包，确认客户端的SYN并发送自己的SYN包，则向客户端发送[SYN+ACK]包。

第三次握手：客户端收到服务器的[SYN+ACK]包，向服务器发送确认包ACK。

至此，三次握手完毕，客户端与服务器可以开始互发数据。

发送数据长度为16（3个汉字+10个数字）字节：

四次挥手：

第一次挥手：客户端主动关闭，向服务器发送FIN报文，进入FIN_WAIT_1状态。

第二次挥手：服务器收到客户端发送的FIN报文，向客户端回复确认ACK报文，进入FIN_WAIT_2状态。

第三次挥手：服务器向客户端发送FIN报文，请求关闭连接并进入CLOSE_WAIT 状态。

第四次挥手：客户端收到服务器发送的FIN报文，向服务器发送ACK报文

至此，客户端等待2ms后没收到服务器的回应，连接关闭。

②UDP编程

UDP发送的数据包：

客户端192.168.160.4向服务端192.168.160.2发送长度为16的用户数据报文：

服务端192.168.160.2向客户端192.168.160.4发送长度为10的用户数据报文：

五、实验体会

1、本次实验，通过自己编程自己抓包分析，对于TCP协议与UDP协议有了更深层次的体会，对于套接字socket有了一定的了解。

2、本次实验，通过安装虚拟机并在虚拟机中安装操作系统、配置环境，最终能在虚拟机中成功跑程序，认识到自己知识的薄弱，需要多加实战练习，网上资源丰富，是我们学习的便利，要学会合理利用。

3、通过本次实验，认识到无论是安装和使用软件以及编程，都需要扎实的基础，因此我们需要更多的实战练习。