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數(shù)據(jù)通信軟件開(kāi)發(fā)與基本原理分析論文
摘要：：在現(xiàn)有局域網(wǎng)技術(shù)中，以太網(wǎng)是最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。伴隨著以太網(wǎng)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展與完善，其可以為用戶提供更多更好的的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。本設(shè)計(jì)對(duì)以太網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀和光纖通信做了簡(jiǎn)要的分析，構(gòu)建了以太網(wǎng)的測(cè)試環(huán)境。利用Socket軟件，用光纖收發(fā)器和光纖連接兩臺(tái)PC機(jī)，進(jìn)行客戶端和服務(wù)器之間的通信測(cè)試，然后基于VC++環(huán)境下利用MFC的CSocket類編程實(shí)現(xiàn)客戶端的應(yīng)用程序，并用軟件編程實(shí)現(xiàn)的客戶端與服務(wù)器進(jìn)行了數(shù)據(jù)通信的測(cè)試。
關(guān)鍵詞：：以太網(wǎng)；光纖；TCPSocket；數(shù)據(jù)通信
1緒論
1．1以太網(wǎng)簡(jiǎn)介
10G以太網(wǎng)代表了有線以太網(wǎng)最先進(jìn)的技術(shù)［1］。10G以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有良好的兼容性且造價(jià)比較低。千兆以太網(wǎng)作為一種針對(duì)企業(yè)設(shè)備的新型高速標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。隨著廣泛開(kāi)展的各類寬帶業(yè)務(wù)，10G以太網(wǎng)技術(shù)在城域網(wǎng)和電信骨干網(wǎng)等得到廣泛應(yīng)用。萬(wàn)兆以太網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初就考慮到城域骨干網(wǎng)需求，充分能夠滿足大多數(shù)城市城域網(wǎng)覆蓋［2］。以太網(wǎng)主要應(yīng)用在LAN、CAN、MAN、WAN等技術(shù)領(lǐng)域。
1．2光纖通信
（1）光纖通信的優(yōu)點(diǎn)相對(duì)于電纜通信或微博通信，光纖通信具有許多優(yōu)點(diǎn)：
（1）容許頻帶很寬，傳輸容量很大
（2）損耗很小，中繼距離很長(zhǎng)且誤碼率很小；
（3）重量輕、體積小；
（4）抗電磁干擾性能好；
（5）泄露小，保密性好；
（6）節(jié)約金屬材料，有利于資源合理分配。
（2）光纖通信的應(yīng)用光纖通信可以傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，因此得到了廣泛的應(yīng)用：
（1）通信網(wǎng)；
（2）計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)；
（3）有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)，工業(yè)電視系統(tǒng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸；
（4）綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)。
（3）光纖通信系統(tǒng)的基本組成基本光纖傳輸系統(tǒng)有3部分組成：光發(fā)射端，光纖線路和光接收端。圖1示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)。在本次的設(shè)計(jì)中，用兩個(gè)光纖收發(fā)器充當(dāng)兩個(gè)光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)。光纖收發(fā)器作為以太網(wǎng)傳輸媒體轉(zhuǎn)換單元，可以將短距離的雙絞線電信號(hào)和長(zhǎng)距離的光信號(hào)進(jìn)行互換。
2TCP協(xié)議
2．1TCP/IP協(xié)議的四個(gè)層次
TCP/IP通訊協(xié)議具有4層結(jié)構(gòu)，每一層的需求都是通過(guò)呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成，具體各層相應(yīng)協(xié)議的說(shuō)明解釋如圖2所示。
2．2TCP連接的建立與關(guān)閉
（1）TCP連接的建立TCP連接的建立，應(yīng)用的是“三次握手”法。具體過(guò)程如下：第一次握手，客戶端發(fā)送一個(gè)SYN段（同步序號(hào)），指明其要連接的服務(wù)器端口。第二次握手，服務(wù)器作為應(yīng)答，發(fā)送回包含服務(wù)器的初始序號(hào)的SYN報(bào)文段。并對(duì)確認(rèn)序號(hào)（ACK）設(shè)置為客戶的ISN加1，以確認(rèn)客戶的SYN報(bào)文段。第三次握手，客戶須對(duì)確認(rèn)序號(hào)設(shè)置為服務(wù)器的ISN加1，以確認(rèn)服務(wù)器的SYN報(bào)文段。（2）關(guān)閉連接由于TCP關(guān)閉連接時(shí)需要向每個(gè)傳輸方向發(fā)送一個(gè)關(guān)閉連接的報(bào)文段，同時(shí)還需接受對(duì)方的確認(rèn)報(bào)文段，因此關(guān)閉連接應(yīng)用的是“四次握手”法。具體過(guò)程如下：第一次握手，客戶端的應(yīng)用進(jìn)程向其TCP協(xié)議層發(fā)出連接終止命令。第二次握手：服務(wù)器的TCP協(xié)議層收到關(guān)閉連接的報(bào)文段后，發(fā)出確認(rèn)。第三次握手：服務(wù)器告知TCP協(xié)議層關(guān)閉連接。第四次握手：客戶端收到關(guān)閉連接的報(bào)文段后，發(fā)出確認(rèn)，服務(wù)器收到確認(rèn)，完全關(guān)閉連接。
2．3TCP的流量控制和擁塞控制
TCP的流量進(jìn)行控制是利用滑動(dòng)窗口機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，接收方在返回的ACK中會(huì)包含自己的接收窗口的大小，以控制發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送。在傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)中的鏈路容量、交換結(jié)點(diǎn)中的緩存、處理機(jī)等都有著工作的極限，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的需求超過(guò)它們的工作極限時(shí)，就出現(xiàn)了擁塞，這時(shí)可引入一個(gè)擁塞窗口。TCP連接建立時(shí)，發(fā)送方發(fā)送一個(gè)長(zhǎng)度為MSS的報(bào)文段，如果網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口會(huì)增大到2MSS，以便把更多的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。如果都收到確認(rèn)，那么擁塞窗口就按照指數(shù)規(guī)律一直增大窗口。但如果出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，擁塞窗口就開(kāi)始減小。
3Socket軟件數(shù)據(jù)通信測(cè)試
3．1流式套接口
利用socket的數(shù)據(jù)流進(jìn)行通信。套接口的工作過(guò)程如下：（1）用socket（）函數(shù)在服務(wù)器端建立一個(gè)通信的端點(diǎn)；（2）用bind（）函數(shù)綁定這個(gè)端點(diǎn)的地址；（3）在服務(wù)器端使用listen（）函數(shù)偵聽(tīng)連接請(qǐng)求，當(dāng)遠(yuǎn)程的客戶機(jī)使用connect（）函數(shù)連接listen（）函數(shù)正在監(jiān)聽(tīng)的端口時(shí)，使用accept（）函數(shù)進(jìn)行處理。當(dāng)accept（）函數(shù)處理了連接請(qǐng)求后，將會(huì)生成一個(gè)新的描述這個(gè)連接端口的套接字，利用這個(gè)套接字就可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)了。若listen（）始終未偵聽(tīng)到連接請(qǐng)求，則服務(wù)器會(huì)在accept（）處阻塞，直至有連接請(qǐng)求到來(lái)。
3．2Socket軟件數(shù)據(jù)通信測(cè)試
TCP/UDPSocket調(diào)試工具提供了TCPClient、TCPServer、UDPClient、UDPServer、UDPGroup共5種Socket調(diào)試方案。下面是TCPClient方案的調(diào)試。在調(diào)試過(guò)程中，兩臺(tái)PC機(jī)用兩個(gè)光纖收發(fā)器和一根光纖連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。（1）創(chuàng)建TCPClient；（2）向服務(wù)器綁定的端口號(hào)連接；（3）雙方通信，如圖3和圖4所示。圖3和圖4只是客戶端的數(shù)據(jù)收發(fā)情況，服務(wù)進(jìn)程要先于客戶請(qǐng)求啟動(dòng)，即只有服務(wù)器處在監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)時(shí)，客戶端的連接請(qǐng)求才有可能被服務(wù)器接收到。
4VC++實(shí)現(xiàn)Socket通信編程
4．1CSocket類編程基本原理
（1）連接建立階段：首先服務(wù)器中的監(jiān)聽(tīng)套按字調(diào)用listen（）對(duì)端口進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，客戶端的套接字調(diào)用connect（）向服務(wù)器端的特定端口發(fā)出鏈接請(qǐng)求，客戶機(jī)端會(huì)調(diào)用套接字的OnConnect（）告知連接的結(jié)果，可以判斷是否鏈接成功并查詢失敗的原因。如果成功連接，表示客戶機(jī)和和服務(wù)器之問(wèn)建立起了一個(gè)通信的通道，為通信做好準(zhǔn)備。（2）通信階段：這是整個(gè)過(guò)程的核心部分，相對(duì)簡(jiǎn)單，就是數(shù)據(jù)的發(fā)送，調(diào)用send（），receive（）函數(shù)。（3）拆除連接階段：在傳完數(shù)據(jù)之后，調(diào)用Close（）關(guān)閉套接字，釋放所分配的資源。當(dāng)對(duì)方的套接字被關(guān)閉后，框架會(huì)調(diào)用OnConnecl（）函數(shù)通知。
4．2編程實(shí)現(xiàn)
Socket數(shù)據(jù)通信在VisualC++6．0中用程序做一個(gè)TCPSocket軟件的客戶端，并能夠通信，操作步驟如下：圖6建立MFCAppWizard［EXE］工程（1）創(chuàng)建MFCAppWizard［EXE］工程；打開(kāi)VisualC++6．0界面，單擊“文件/新建”如圖6；（2）創(chuàng)建應(yīng)用程序選擇基本對(duì)話框；（3）完成客戶端會(huì)話框；（4）添加一個(gè)新類；（5）添加成員變量；（6）添加成員函數(shù)OnConnect（）；（7）添加控件程序；（8）在CSocket_002Dlg：：OnInitDialog（）中添加代碼。服務(wù)端和客戶端的通信如圖7所示。從圖7可以看出，編程實(shí)現(xiàn)的客戶端可以用來(lái)數(shù)據(jù)通信。
5總結(jié)
本設(shè)計(jì)在TCPSocket的基礎(chǔ)上，完成了數(shù)據(jù)通信軟件的開(kāi)發(fā)。首先，在兩臺(tái)PC機(jī)上，用光纖收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的測(cè)試，熟悉了數(shù)據(jù)通信的基本流程。然后，在VC++開(kāi)發(fā)環(huán)境下，熟悉開(kāi)發(fā)環(huán)境，創(chuàng)建了一個(gè)名“為S ocket_002”的MFCAppWiz—ard［EXE］工程。在這個(gè)工程下，建立客戶端和服務(wù)器端的對(duì)話框，生成一個(gè)源程序。在該程序中生成變量，添加控件程序，進(jìn)行編譯和運(yùn)行，生成一個(gè)．EXE文件。一個(gè)TCPSocket的通信軟件的開(kāi)發(fā)就完成了。用開(kāi)發(fā)出的軟件，進(jìn)行了客戶端和服務(wù)器端的通信［3，4］。本設(shè)計(jì)表明基于VC++開(kāi)發(fā)環(huán)境可以方便地開(kāi)發(fā)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用，建立數(shù)據(jù)通信的測(cè)試和應(yīng)用系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)通信的任務(wù)。在此基礎(chǔ)上還可以在其他的操作系統(tǒng)上完成軟件的數(shù)據(jù)通信開(kāi)發(fā)，例如Lnix，Unix，WindowsCE操作系統(tǒng)，拓展更寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)
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［4］董武，陸利坤，李業(yè)麗．基于W5300的以太網(wǎng)和串口數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35（2）：139－142．
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