實驗一、文字聊天室

實驗要求：

 

本實驗主要是利用主從式架構，connection-oriented連結方式，撰寫一個多群組聊天室。

請勿使用如 BCB6, VC++中現成的網路元件，用戶端和伺服器端間之通訊要自己寫。

程式中要有避免blocking的能力，另外，

用戶端必需具備下列功能：

  1. 可以和聊天室伺服器建立連線及切斷連線。

  2. 使用者可以開啟一個以上的聊天室。

  3. 使用者可以動態參加或離開一個或多個群組。

  4. 使用者可以得知每一個群組中其他人的身份，並看到同群組中其他人送出的訊息(沒有參加群組的訊息當然是看不到的)，亦可送訊息至有參加的任一群組。

伺服器端：

  1. 可以接受用戶端的建立連線請求，也可以隨時切斷連線。

  2. 可以接受用戶端動態加入、離開、或開啟某個群組。

  3. 收到某個用戶端送到某群組的訊息時，負責將其傳給同一群組的其他用戶端，使得參加同一群組的人可以看到其他人送出的訊息。

預報（不需撰寫）需完成：

  1. 實際下載並使用MSN Messenger Live軟體，並將助教(收尋oops@cobra.ee.ntu.edu.tw)與組員設成好友。

  2. 使用MSN Messenger，跟助教聊一下，介紹一下自己。

 

實驗目的：

 

1.   認識並熟悉 Windows Sockets API。

2.   利用 Windows Sockets API 以及簡易 Windows programming技巧撰寫一個主從式架構的多群組聊天室。

 

實驗設備：

 

  硬體：都有網路卡相連的兩台電腦。

  軟體：任何視窗程式開發軟體，如dotNET、Visual C++、Borland C++ Builder、Visual Basic、﹍等。

實驗室另有提供Microsoft Developer Network (MSDN) Library讓同學使用。

 

實驗原理：

 

1.  何謂socket

 

從網路的角度來看，socket就是通訊連結的端點；從程式設計者的角度來看，socket提供了一個良好的介面使程式設計者不需知道下層網路協定運作的細節便可以撰寫網路通訊程式。

 

Windows Socket是以實作於Berkeley Software Distribution (BSD, release 4.3)中的UNIX sockets為基礎所發展出來的一套API，其不僅支援 TCP/IP，對於XeroxR Network System (XNS), Digital Equipment Corporation’s DECNet protocol, NovellR Corporation’s Internet Packet Exchange/Sequenced Packed Exchange(IPX/SPX)亦可以支援。此外也提供機器碼的相容性，因此在不同的作業系統上移植時並不需要做任何修改。

 

Windows Socket API是一套動態連結函式庫(DLL)，即程式在編譯時期並不會和這些函式庫連結，而是等到執行期間才會呼叫這函式。

 

2.  Sockets的分類

 

在TCP/IP架構下，sockets可分為下面兩類：

 

(1) Datagram sockets (connectionless)

資料在datagram sockets間是利用UDP封包傳送，因此接收端socket可能會收到次序錯誤的資料，且其中部分資料亦可能會遺失。

 

(2) Stream sockets (connection-oriented)

資料在stream sockets間是利用TCP封包來傳送，因此接收端 socket 可以收到順序無誤、無重覆、正確的資料。此外TCP傳送時是採資料流的方式，因在傳送時會所有資料會視情況被分割在數個 TCP封包中。

 

Sockets在產生時便需指定其種類，且唯有同類之sockets才能彼此溝通。

 

3.  主從式架構模型(Client/Server model)

 

每個網路應用程式都有一個通訊端點，一種端點是用戶端，另一種是伺服器。根據定義，用戶端會先送出第一個封包，由一個伺服器接收。在初步接觸後，用戶端和伺服器均能開始收送資料。

 

依據socket所提供的服務來將它分類，然而在用戶端和伺服器上的這兩個sockets必須是同一類才能互相通訊，也就是說，他們必須都是stream (TCP)或都是datagram (UDP)。用戶端的應用程式必須要能找到並識別伺服器的socket，而伺服器會將它的socket命名以讓用戶端識別，就TCP/IP而言，一個socket name包括了IP位址、連結埠編號、以及協定本身。用戶端可用Windows Sockets的名稱伺服函式來查到標準伺服器的連結埠編號，而如果知道伺服器的主機名，則可以Windows Sockets的主機名稱分析函式，來查得伺服器的IP。當用戶端socket成功地聯繫上伺服器端之socket後，這兩者便形成一個“結合” (association)。在此時，每個socket都可以由它的名字及對方的名字所形成的組合加以識別。這個結合包括五個要素：所用的協定、用戶端IP位址、用戶端連結埠號碼、伺服器端IP位址、伺服器端連結埠號碼。這個“結合”的觀念並不只是Windows Sockets程式設計的基礎，它也是一般網路通訊的重要觀念。在結合中的資訊可識別及引導封包通過網路，從這一端的程式傳至另一端。

 

所有的網路應用程式皆可分為五個步驟：

 

TCP                                     UDP

圖一    socket 程式簡圖

 

u        開啟一個Socket

Socket是通訊的端點，好比是電腦的網路介面卡，使得網路應用程式可以像介面卡插在主機板上一樣，插入網路中。一般說來你只會有一片網路卡在電腦中，但是你可以有許多sockets，而且它們也可以同時使用一片網路卡。用戶端與伺服器端都需要一個socket以存取網路資料，使用socket() 函式呼叫就可開啟一個socket。(如圖一所示)

u        為Socket命名

伺服器端的程式必須為它的socket命名，這樣用戶端才能找到並正確地辨識出它的socket，如果伺服器沒有替它的socket命名，則協定堆疊會拒絕用戶端要通訊的請求。要幫socket取名必須設定三個參數：協定、連結埠號碼、及位址，而用戶端就要用這些值來和伺服器建立連結。要為socket命名，伺服器必須為socket位址結構設初始值並呼叫bind()函式，以指定本身連結埠號碼和IP位址，完成命名的工作。

u        與另一個Socket結合

假設我們在用戶端與伺服器端均開啟一個socket，並至少為伺服器端的socket命名。接下來伺服器要準備接收封包，而用戶端要準備發送封包，當此準備工作完成後，此兩端的sockets就叫建立一個”結合”(association)。如何為結合此兩端的socket做準備呢? 在WinSock API中提供了幾個函式來完成此動作。在伺服器端則以呼叫 listen()來準備接受用戶端送來的連結要求，如果收到連線要求，則開啟另一個新的 socket 來和用戶端進行連線(使用accept()函式)；而在用戶端則是呼叫connect()函式與伺服器端的socket完成結合。

u        在Sockets間收送資料

此時我們已經在用戶端和伺服器的sockets間建立了結合，也就是說，我們已經可以開始收送資料了。如何收送資料呢? 在一個已連結的socket上收送資料可呼叫recv()與send()來完成；而在一個無連結的socket上收送資料可呼叫recvfrom()與sendto()來完成。

u        關閉Socket

當用戶端完成收送資料且往後並不會在使用時，必須關閉socket，對TCP socket而言，關閉socket除了將socket的資源還給協定堆疊，此外並嘗試將以建立的連結關閉。但對UDP socket而言，則是單純地將資源還給協定堆疊。關閉socket可呼叫closesocket()來完成。

 

結報問題：

 

1.   請分別敘述你設計之聊天室伺服器端與用戶端（1）規劃設計（2）運作方式（3）功能特色。

2.   本實驗的聊天室程式是使用主從式架構。你覺得是否有其他可行的方式？若有，請用功能方塊圖說明將如何運作。

3.   請簡單敘述connection-oriented (TCP)和connectionless (UDP)方式之流程。

4.   WinSock API中有部分具有blocking的特性，請敘述此一特性並說明你如何解決這個問題，是否有其他的解決方法？

 

參考文獻：

1.   INTERNETWORKING WITH TCP/IP VOL.3 CLIENT-SERVER PROGRAMMING AND APPLICATIONS Windows Sockets Version,” Douglas E. Comer and David L. Stevens, Prentice-Hall International, Inc.

2.   “Windows Sockets 網路程式設計經典”，李孟書、黃鶴超譯，美商愛迪生衛斯理、碁峰資訊股份有限公司合作出版。

3.   “WinSock網路程式設計之鑰”，黃俊堯、黃耀文、許景華、陳孝忠著，資訊人文化事業