一、原理概述
一台计算机的IP地址与此计算机中运行的一个进程的端口号组成套接字，一对套接字则标明了网络通信的双方。通信双方进行通信的规则的集合则称为协议。客户-服务器模式和P2P模式是两种应用最为广泛的网络应用模式。利用运输层协议TCP与UDP进行应用层编程称为套接字编程。
二、实验内容
1、要实现的功能需求分析（可以文件传输为例，或者其他功能）
2、协议设计，包括协议格式、字段说明和通信过程说明。
3、利用套接字编程实现不同计算机间传输文件的简单功能。
自选一种编程工具(写上所选的模式和工具),利用该工具编写服务器端与客户端程序或者p2p模式的程序，至少实现最基本的文件传输功能，最好能实现更完善一些的功能。
三、实验步骤
1.环境准备
操作系统：确保客户端和服务器端运行在相同的操作系统环境下，如Windows、Linux或MacOS。
编程语言：选择合适的编程语言和库来实现客户端和服务器端程序，本实验使用Python语言。
2.编写服务器端程序(server.py)
import socket
import os
SERVER_HOST = '127.0.0.1'
SERVER_PORT = 12345
BUFFER_SIZE = 4096
def receive_file(conn, filename):
with open(filename, 'wb') as f:
while True:
data = conn.recv(BUFFER_SIZE)
if not data:
break
f.write(data)
def handle_client(client_socket):
print("[*] Accepted connection from: %s:%d" % (client_socket.getpeername()))
while True:
try:
command = client_socket.recv(1024).decode()
if not command:
break
if command.startswith('upload'):
filename = command.split()[1]
receive_file(client_socket, filename)
print(f"[+] Received file: {filename}")
client_socket.sendall(b"File uploaded successfully.")
elif command.startswith('download'):
filename = command.split()[1]
if os.path.exists(filename):
client_socket.sendall(b"READY")
with open(filename, 'rb') as f:
data = f.read(BUFFER_SIZE)
while data:
client_socket.send(data)
data = f.read(BUFFER_SIZE)
print(f"[+] Sent file: {filename}")
else:
client_socket.sendall(b"File not found.")
elif command.strip() == 'quit':
break
except Exception as e:
print(f"[-] Error: {e}")
break
client_socket.close()
def main():
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind((SERVER_HOST, SERVER_PORT))
server_socket.listen(5)
print(f"[*] Listening on {SERVER_HOST}:{SERVER_PORT}")
while True:
client_socket, addr = server_socket.accept()
handle_client(client_socket)
server_socket.close()
if __name__ == '__main__':
main()
3.编写客户端程序(client.py)
import socket
import os
SERVER_HOST = '127.0.0.1'
SERVER_PORT = 12345
BUFFER_SIZE = 4096
def send_file(conn, filename):
with open(filename, 'rb') as f:
data = f.read(BUFFER_SIZE)
while data:
conn.send(data)
data = f.read(BUFFER_SIZE)
def main():
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client_socket.connect((SERVER_HOST, SERVER_PORT))
while True:
try:
command = input("Enter command (upload <filename>, download <filename>, quit): ")
client_socket.sendall(command.encode())
if command.startswith('upload'):
filename = command.split()[1]
send_file(client_socket, filename)
print(f"[+] Uploaded file: {filename}")
response = client_socket.recv(BUFFER_SIZE)
print(response.decode())
elif command.startswith('download'):
response = client_socket.recv(BUFFER_SIZE)
if response == b"READY":
filename = command.split()[1]
with open(filename, 'wb') as f:
while True:
data = client_socket.recv(BUFFER_SIZE)
if not data:
break
f.write(data)
print(f"[+] Downloaded file: {filename}")
else:
print(response.decode())
elif command.strip() == 'quit':
break
except Exception as e:
print(f"[-] Error: {e}")
break
client_socket.close()
if __name__ == '__main__':
main()
4.客户端操作步骤：
1.启动服务器端：打开命令行或终端，运行“python server.py”启动服务器端程序，监听端口“12345”。
2.启动客户端：打开另一个命令行或终端，运行“python client.py”启动客户端程序。
3.上传文件：在客户端命令行输入“upload test.txt”，其中“test.txt”是要上传的本地文件。
4.检查上传结果：客户端会发送文件给服务器端，服务器端接收文件并保存到当前工作目录下；客户端在接收到服务器端的确认消息后显示“[+] Uploaded file: test.txt”。
5.结束程序：在客户端命令行输入“quit”或直接关闭客户端程序退出。
5.服务器端操作步骤：
1.接收客户端连接：服务器端在启动后等待客户端连接，一旦有客户端连接，会显示连接信息。
2.处理上传请求：服务器端接收到客户端发送的“upload test.txt”命令后，开始接收文件数据。
3.保存上传文件：服务器端将接收到的文件数据保存到当前工作目录下，并发送上传成功的确认消息给客户端。
4.结束程序：服务器端持续监听客户端连接，可通过键盘输入 `Ctrl+C` 结束程序或关闭终端窗口。
6.测试和验证：
1.确保客户端和服务器端在同一网络下，确保上传的文件路径和文件名正确。
2.测试多次上传不同的文件，并检查文件是否成功传输和保存。
四、数据记录及处理
在命令行界面使用“python server.py”命令来启动服务器。服务器端会进入监听阶段，等待建立连接。
新增一个命令行界面。在命令行界面使用“python client.py”命令来启动客户端。客户端会显示相关功能(上传文件和下载文件)。
当客户端启动后。服务器端就会和客户端进行连接。
客户端使用上传文件功能，客户端会发送文件给服务器端，服务器端接收文件并保存到当前工作目录下；客户端在接收到服务器端的确认消息后显示“[+] Uploaded file: test.txt”。
客户端使用上传文件功能，服务器端会显示收到相关文件“[+] Received file: test.txt”。
客户端使用下载文件功能，服务器端会显示发送文件的命令行“[+] Sent file: test.txt”。
当客户端退出连接后，服务器端会进行提醒，显示“远程主机强迫关闭了一个现有的连接”。
当服务器端退出连接后，客户端也会进行提醒，显示“远程主机强迫关闭了一个现有的连接”。
五、 实验结论及问题讨论
实验结论
在本次实验中，通过实现基于TCP协议的文件传输功能，我验证和理解了以下原理和技术：
1.套接字编程原理：理解了套接字编程的基本原理，包括如何通过套接字建立客户端与服务器之间的通信连接。
2.TCP协议的应用：掌握了使用TCP协议进行可靠数据传输的方法，包括数据分块、发送和接收数据的流程等。
3.文件操作与网络传输：学习了如何在Python中进行文件的读取、写入和传输，以及处理文件路径和名称的方法。
4.异常处理与稳定性：实现了基本的异常处理机制，提高了程序的稳定性和健壮性，例如处理文件不存在、连接中断等情况。
问题讨论
1.文件传输的安全性：没有考虑数据加密和身份验证。解决方法：可以引入SSL/TLS进行数据加密，使用身份验证机制确保通信安全。
2.性能优化：对于大文件的传输可能效率不高。解决方法：可以考虑实现断点续传功能、使用多线程或异步IO来提高并发处理能力，或者采用更高效的数据传输方式如UDP。
3.跨平台兼容性：未测试在不同操作系统下的兼容性。解决方法：应在多个操作系统上进行测试，确保程序在各种环境下正常运行。
4.并发处理：可能存在阻塞问题，特别是在多个客户端同时连接时。解决方法：可以使用多线程或异步编程模型来处理多个并发连接，提高程序的并发处理能力。
改进和扩展的讨论
1.安全性增强
改进：引入SSL/TLS协议，对数据进行加密传输，确保通信的安全性。
增加功能：增加用户身份验证机制，防止未授权的访问和操作。
2.性能优化
改进：采用更高效的数据传输方式，如使用UDP协议进行文件传输，适用于对实时性要求不高但带宽要求较高的场景。
增加功能：实现断点续传功能，允许在网络中断后能够从断点处继续传输文件。
3.跨平台兼容性
改进：确保在不同操作系统和不同网络环境下的兼容性，处理好路径分隔符和文件系统差异。
增加功能：实现自动检测和适配不同操作系统的功能，使程序更加灵活和智能。
4.并发处理
改进：采用多线程或异步编程模型，提高程序的并发处理能力，支持多个客户端同时连接和传输。
增加功能：实现连接池管理，有效管理和复用连接资源，减少系统开销和提升响应速度
