网络编程聊天程序设计文档.docx
《网络编程聊天程序设计文档.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《网络编程聊天程序设计文档.docx（46页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
网络编程聊天程序设计文档
此文档为网络编程课程设计文档。
课程设计题目：
网络编程——聊天程序
程序运行环境：
UbuntuLinux
编程语言：
C语言
使用图形界面技术：
GTK+2.0
本人是大学本科生，所学知识有限，在此班门弄虎了，希望与大家在技术上多多交流。
此文所有权归本人所有，所以请勿抄袭。
网络编程
聊天程序设计报告
学院：
计算机与电子信息学院
专业名称：
网络工程
姓名：
网名：
书箱子
时间：
2011年1月
聊天程序设计任务书
1.设计题目
自己设计应用层协议，实现聊天程序，要求能够实现服务器能够同时处理多个客户的连接请求，实现客户端通过服务器的转发通信。
2.实验设计
2.1实验环境
1）虚拟机：
OracleVMVirtualBox
2）操作系统：
Ubuntu-10.10-desktop
2.2通信功能分析
实现聊天程序，并要考虑服务器能够同时处理多个客户的连接请求，实现客户端通过服务器的转发通信。
则通信过程分析如下：
服务器端：
1）建立socket绑定监听端口；
2）等待客户端的连接；
3）当客户与服务器建立连接后，服务器记录客户所有信息，如ID号；
4）当客户消息到达服务器后，服务器分析客户信息：
a.若为转发消息，根据消息格式提供的转发ID号，服务器立即查找转发列表，转发消息，若查找后发现需要转发的客户ID不存在则返回错误信息给原客户，提示不存在要发送的客户端ID号；
b.若为询问消息，服务器返回当前登录到服务器的所有客户的ID号；
c.若为退出消息，服务器清楚当前客户的所有信息，更新客户列表；
5）以上2-4步都是随时进行的：
a.任何新进客户端都能随时连接服务器；
b.任何以连接客户端都能发送消息，并且服务器能同时处理多个同时到来的消息，实现并发的处理客户端消息。
6）当服务器停止工作时，关闭监听套接字。
客户端：
1）建立连接到服务器的socket；
2）发送登录信息，信息中需要包含自身的ID号，使服务器能识别本机；
3）使用信号机制，随时能接收服务器传来的消息，不阻塞，及时的显示到来信息，并记录到来信息，以方便用户查看聊天记录；
4）能随时向服务器发送消息，有三种消息：
a.询问消息，询问服务器当前已连接到服务器的客户列表；
b.转发消息，告知服务器需要转发的ID号和信息，通过服务器进行聊天；
c.退出消息，告知服务器本客户端要退出聊天；
5）要获取当前以登录服务器的客户列表，则会发送询问消息，得到返回结果后更新本地的用户登录列表；
6）当想退出时，向服务器端发送退出消息后，关闭套接字，关闭程序。
2.3设计协议
通过以上服务器与客户端功能的分析，要完成以上功能，需要设计一个通信协议。
1）通信消息协议格式
协议格式中需要包含的信息有：
用户的ID号、接收者的ID号、退出标记、查询标记、转发标记、信息内容。
所以构造如下：
a.协议使用基于文本的格式：
chat#####
b.相应使用到的结构体：
structChatMsg{
charID[20];//自己的ID号
chartoID[20];//需要发送的ID号
boolisQuit;//发送的是退出消息时为true
boolisInquiry;//发送的是询问消息时为true
charmsg[128];//需要发送的信息内容
};
c.字符串“chat”，是魔术字符串，因为不能确定消息在传送过程中是否会出现问题，所以使用一个字符串测试消息的正确性；
d.字符串“”，表明发送消息的客户端自己的ID号；
e.字符串“”，当要转发消息时，此字符串表明要转发的目的客户端ID号；
f.字符串“”，当被标识为‘q’时，表示退出，标识为‘i’时，表示询问，标识为‘u’时，表示默认转发，‘q’与‘i’可以同时放在一起，因为如果是询问消息，则不可能是退出消息，反之如果是退出消息就不可能是询问消息；
g.字符串“”，表示要发送的信息内容；
h.字符串协议中，使用‘#’字符表示分隔符，用以分隔各个字段。
2）通信消息协议实现
通过此协议格式，可以实现三种消息的通信（如客户ID：
wang，消息发送到ID:
zhao）：
a.询问消息：
chat#wang#server#i##
b.转发消息：
chat#wang#zhao#u#hello.#
c.退出消息：
chat#wang#server#q##
消息协议的实现使用Coder.c实现消息的编码，此文件中有如下两个函数：
/*实现消息的编码，输入消息ChatMsg结构体，返回消息字符串与长度*/
size_tEncode（structChatMsg*cmsg,uint8_t*outBuf,size_tbufSize）;
/*实现消息的解码，输入消息字符串，返回消息ChatMsg结构体与消息长度*/
intDecode（uint8_t*inBuf,size_tmSize,structChatMsg*cmsg）;
2.4程序所使用技术
根据对通信功能的分析，需要用到相应的技术解决通信过程中需要完成的功能，经过分析，，发现需要完成的主要功能有四项：
1）基本消息传输；2）不阻塞接收消息；3）服务器并发处理多客户消息；4）程序界面易操作性。
本实验对应不同的功能，提供不同的技术解决方案，各项功能实现技术描述如下。
2.4.1基本消息传输
1）采用UDP协议传送消息，采用此技术传送消息主要考虑到其简单性，容易在程序中实现，并且不需要考虑面向连接所要解决的问题，如何建立与何时断开连接都是在用TCP时需要考虑的问题，还有就是消息的成帧，在TCP中需要考虑成帧的问题，在TCP中有两种解决办法，一直是以定界符的方式，另一种是以固定长度的方法，而在UDP中并不需要考虑这个问题，因为使用UDP传送时，消息的边界已经是确定的了，而无需再去指定，所以使用UDP只需要考虑如何编码协议即可，但采用UDP也有很大的问题，那就是UDP本身固有的缺点，消息传送的不安全性，无重传的机制，无法知道消息是否到达。
2）UDP技术的实现：
a.服务器端建立UDPsocket并绑定监听socket：
（核心代码）
server_socket=socket（servAddr->ai_family,servAddr->ai_socktype,
servAddr->ai_protocol）;
bind（server_socket,servAddr->ai_addr,servAddr->ai_addrlen）;
b.客户端建立UDPsocket并通过指定端口连接到服务器：
（核心代码）
my_socket=socket（servAddr->ai_family,servAddr->ai_socktype,
servAddr->ai_protocol）;
2.4.2不阻塞接收消息
1）采用信号量机制，实现不阻塞接收消息，当有I/O信号到来的时候才调用相应的函数处理到来的消息，这样可以让出CPU去执行其他的代码，提高了程序的执行效率，这样作的好处显而易见。
在此程序中使用了GTK+2.0的图形界面编程技术，所以在实现上与书本所介绍的方法并不一致。
2）服务器端与客户端都实现了采用信号量机制的消息接收方式：
a.服务器端采用信号量机制接收信息：
（核心代码）
/*监听以创建的socket端口是否有输入信号准备好；
*若信号已准备好则调用线程处理函数ThreadHandle（）处理到来消息*/
gdk_input_add（server_socket,GDK_INPUT_READ,ThreadHandle,NULL）;
b.客户端采用信号量机制接收信息：
（核心代码）
/*监听以创建的socket端口是否有输入信号准备好；
*若信号已准备好则调用函数SIGReceive（）处理到来消息*/
gdk_input_add（my_socket,GDK_INPUT_READ,SIGReceive,NULL）;
2.4.3服务器并发处理多客户消息
1）服务器需要并发的处理多个客户同时发送信息的要求，考虑使用多线程技术，实现并发的处理信息，因为没有使用TCP协议来实现此程序，所以不能使用accpet函数接收客户端的连接，并单独的为每位客户端创建一个线程来处理消息的转发。
但在UDP的实现中一样需要用到线程技术来解决并发的处理客户消息，因为不同客户的消息可能会同时到达，若不采用多线程技术，则会出现如下这样的情况：
先前到达的消息还没处理完又有新的消息到达，而新到达的消息则会等待，若还有其它消息的到达，也都会等待，当客户端的数量达到一定程度时，如不使用线程技术处理到来的消息，则会使整个通信过程产生很大的时延，有可能还会使服务器瘫痪（如一个消息在处理过程中出错，程序暂停执行）。
所以考虑使用多线程技术实现客户端消息的并发处理。
2）服务器端多线程技术的实现，因为使用了GTK+2.0图形界面编程，所以在实现多线程上与课本上的实现不太相同：
（核心代码）
/*首先使用信号量技术，监听以创建的socket端口是否有输入信号准备好；
*若信号已准备好则调用线程处理函数“ThreadHandle（）“处理到来消息*/
gdk_input_add（server_socket,GDK_INPUT_READ,ThreadHandle,NULL）;
/*以下为线程处理函数，当有I/O信号到来时会调用此函数创建一个线程，
*实现消息的并发处理。
此线程完成对每个客户消息的处理，调HandleClient（）函数*/
voidThreadHandle（）{
g_thread_create（（GThreadFunc）HandleClient,NULL,FALSE,NULL）;
}
2.4.4程序界面易操作性
考虑到此实验实现起来的复杂性，并不是太困难，所以考虑使用图形界面的方式呈现此聊天程序，使程序有更好的用户体验，而不是面对一个由一堆字符组成的终端界面。
同时因为个人喜好问题，所以选择了Linux下的图形界面设计，采用GTK+进行图形界面设计，此处就不对GTK的编程细节进行描述，在实验运行结果图中会展示使用GTK+所创建的图形界面。
3、实验运行结果图
3.1实验准备
1）服务器监听端口号：
3693；服务器地址：
127.0.0.1、192.168.10.3、（在/etc/hosts中设置，因为程序使用了getaddrinfo（）函数可以识别此地址）
2）客户端需要获得：
服务器的端口号与IP地址；客户端准备自己的ID号唯一识别一台主机，此实验中开始三个客户端分别为：
wang1客户、wang2客户、wang3客户。
3）实验所用程序名：
服务器端为ServerWindow，客户端为ClientWindow
3.2实验拓扑图
3.3通信过程截图
1）点击“Start“按钮，启动服务器，监听3693端口
图1服务器端界面
2）客户wang1，启动客户端程序，输入服务器IP地址127.0.0.1，端口号3693，客户ID为wang1，点击”Connect”按钮连接服务器，连接成功后会弹出对话框，通知连接成功。
图2客户端界面，wang1客户
3）客户wang2，启动客户端程序，输入服务器地址，端口号3693，客户ID为wang2，点击”Connect”按钮连接服务器，连接成功后会弹出对话框，通知连接成功。
（如图3）
4）客户wang3，启动客户端程序，输入服务器地址192.168.10.3，端口号3693，客户ID为wang3，点击”Connect”按钮连接服务器，连接成功后会弹出对话框，通知连接成功。
（如图4）
图3wang2客户图4wang3客户
5）当三个客户端都连接上服务器后，服务器列表增加了三个客户信息，同时客户点击刷新按钮“Refreshonlineusers”时，会获取服务器当前以登录客户端的客户ID
6）wang2与wang3向wang1发送消息如图7图8
图7wang2向wang1发送消息图8wang3向wang1发送消息
7）wang1接收到wang2与wang3发来的消息，消息会直接显示，查看聊天记录使用按钮“front”与“next”，如图9图10
图9按front按钮查看wang2的消息图10按next按钮查看wang3的消息
8）wang1客户端向一个不存在的客户端（如wang4）发送信息时，服务器会返回消息提示不存在此客户，如图11图12
图11向不存在客户端（wang4）发信息图12服务器返回信息，提示wang4不在线
9）wang1点击按钮“Close”退出聊天室，服务器刷新客户列表去除wang1用户，同时使用wang2向wang1发送信息，提示wang1不在线，如图13图14
图13服务器列表中已没有wang1用户图14向wang1发送信息提示wang1不在线
10）测试结果显示，服务器和客户端能完成聊天任务，实验成功。
4、实验程序文件与源代码
4.1实验所使用的文件
1）服务器端使用文件：
ChatComponent.hCoder.cMessageDialog.cServerWindow.c
2）客户端使用文件：
ChatComponent.hCoder.cMessageDialog.cSendAndReceive.c
ClientWindow.c
3）各文件说明：
a.ChatComponent.h此头文件中包含有：
对应本程序协议的结构体，与功能函数的声明，客户端与服务器端的这个文件并不完全相同；
b.Coder.c编码文件，使用本程序设计的协议进行编码与解码；
c.MessageDialog.c消息提示组件，用于弹出提示对话框，因使用频繁所以单独写成文件；
d.ServerWindow.c服务器端文件，存放服务器端程序原代码；
e.SendAndReceive.c客户端使用的文件，使用此文件进行信息的发送与接收；
f.ClientWindow.c客户端文件，存放客户端程序源代码；
4）编译所使用的命令：
服务器端编译命令：
gcc`pkg-configgtk+-2.0--cflags--libsgthread-2.0`-std=gnu99-o
ServerWindowServerWindow.cChatComponent.hCoder.cMessageDialog.c
服务器端程序名：
ServerWindow
客户端编译命令：
gcc`pkg-config--cflags--libsgtk+-2.0`-std=gnu99-oClientWindow
ClientWindow.cChatComponent.hCoder.cSendAndReceive.cMessageDialog.c
客户端程序名：
ClientWindow
4.2实验文件源代码
1）ChatComponent.h客户端
#ifndefCHATCOMPONENT_H_
#defineCHATCOMPONENT_H_
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
//最大发送字符
#defineMAXBUF256
//最大记录信息条数
#defineMAXMSGNUM30
//消息协议所对应的结构体
structChatMsg{
charID[20];//idfromself
chartoID[20];//idfromanother
boolisQuit;//telltheserverquit
boolisInquiry;//inquiryserveronlineusers
charmsg[128];//chatmessage
};
//聊天历史记录
structRecvMsg{
charfromID[20];
charmsg[128];
};
//记录聊天历史记录的队列，使用数字队列
structQueueIndex{
intfront;
intrear;
};
//对话框消息
intSystemInfo（char*from,char*msg）;
//消息的编码与解码函数
size_tEncode（structChatMsg*cmsg,uint8_t*outBuf,size_tbufSize）;
intDecode（uint8_t*inBuf,size_tmSize,structChatMsg*cmsg）;
//方便客户端对消息的发送与接收
intSendMsg（structaddrinfo*servAddr,intsocket,structChatMsg*cmsg）;
intReceiveMsg（structaddrinfo*servAddr,intsocket,structChatMsg*cmsg）;
#endif//CHATCOMPONENT_H_
2）ChatComponent.h服务器端
#ifndefCHATCOMPONENT_H_
#defineCHATCOMPONENT_H_
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
//最大发送字符
#defineMAXBUF256
//最大连接客户数
#defineMAXCONNECT30
//消息协议所对应的结构体
structChatMsg{
charID[20];//idfromself
chartoID[20];//idfromanother
boolisQuit;//telltheserverquit
boolisInquiry;//inquiryserveronlineusers
charmsg[128];//chatmessage
};
//记录连接客户的信息
structRecordClient{
charclntID[20];
structsockaddr_storageclntAddr;
socklen_tclntAddrLen;
};
//对话框消息
intSystemInfo（char*from,char*msg）;
//消息的编码与解码函数
size_tEncode（structChatMsg*cmsg,uint8_t*outBuf,size_tbufSize）;
intDecode（uint8_t*inBuf,size_tmSize,structChatMsg*cmsg）;
#endif//CHATCOMPONENT_H_
3）Coder.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include"ChatComponent.h"
/*消息采用文本编码方式.
*文本编码格式：
"chat####"*/
staticconstchar*MAGIC="chat";
staticconstchar*QUIT="q";
staticconstchar*INQUIRY="i";
staticconstchar*DELIMSTR="#";
/*编码函数，输入消息结构体变量，返回字符串*/
size_tEncode（structChatMsg*cmsg,uint8_t*outBuf,size_tbufSize）{
uint8_t*bufPtr=outBuf;
longsize=（size_t）bufSize;
intrv=snprintf（（char*）bufPtr,size,"%s#%s#%s#%s#%s#",MAGIC,cmsg->ID,cmsg->toID,
（cmsg->isQuit?
QUIT:
（cmsg->isInquiry?
INQUIRY:
"u"））,cmsg->msg）;
bufPtr+=rv;
return（size_t）（bufPtr-outBuf）;
}
/*解码函数，输入字符串，返回消息结构体变量*/
intDecode（uint8_t*inBuf,size_tmSize,structChatMsg*cmsg）{
char*token;
token=strtok（（char*）inBuf,DELIMSTR）;
//Checkformagic
if（token==NULL||strcmp（token,MAGIC）!
=0）return-1;
//GetID
token=strtok（NULL,DELIMSTR）;
if（token==NULL）return-1;
strcpy（cmsg->ID,token）;
strcat（cmsg->ID,"\0"）;
//GettoID
token=strtok（NULL,DELIMSTR）;
if（token==NULL）return-1;
strcpy（cmsg->toID,token）;
strcat（cmsg->toID,"\0"）;
//GetisQuitorisInquiry
token=strtok（NULL,DELIMSTR）;
if（token==NULL）return-1;
if（strcmp（token,QUIT）==0）{
cmsg->isQuit=true;
cmsg->isInquiry=false;
}elseif（strcmp（token,INQUIRY）==0）{
cmsg->isQuit=false;
cmsg->isInquiry=true;
}else{
cmsg->isQuit=false;
cms
升级会员 