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  • 局域网的通信硬件主要包括
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    2021-07-24 02:42:20

    局域网的硬件组成有哪些

    局域网(英文:Local Area Network 缩写LAN),指有限区域(如办公室或楼层)内的多台计算机通过共享的传输介质互连,所组成的封闭网络。一般是方圆几千米以内,局域网可以实现文件管理、应用软件共享、打印机共享、工作组内的日程安排、电子邮件和传真通信服务等功能。下面小编给大家整理了局域网的硬件组成,供大家参阅。

    1.网络结构的选择采用目前流行的快速以太网技术,使用星型拓扑结构,组建一个可以满足客户机/服务器及对等网要求的小型局域网。

    2.硬件的准备组网硬件包括服务器、工作站、网卡、集线器和双绞线等,在选择时需要根据不同的`网络应用需求,进行整体的分析和考虑。

    服务器:网络的重点设备,在许可的情况下,尽量配置高一些,最好采用专用服务器,避免使用普通高配置计算机充当服务器,原因在于专用服务器是针对网络应用专门设计的,网络性能要比普通计算机好很多。

    工作站:选择流行机种,以满足需求的基本配置为度,数量的选择兼顾集线器端口的数量,一般集线器常见端口数为8 口、12 口、16 口和24 口,不要造成太多的端口浪费。

    网卡:工作站计算机选择10M/100M 自适应PCI 总线网卡,专用服务器一般都自带一个10M/100M 自适应网卡。

    集线器:集线器的选择很大程度取决于组建的局域网的网络工作性质,一种情况为各工作站的网络通信主要是与服务器之间的通信,工作站之间没有什么通信,这种情况可以采用两个24 口可堆叠式10M/100M 自适应集线器,将服务器和最多47 台工作站组成一个局域 网。另一种情况则是各工作站的网络通信除了与服务器之间的通信外,工作站之间还存在大量通信,这种情况下就应该采用交换机。比较经济的法是采用一台8 口的10M/100M 交换机做中心交换机,下带两台有1 个100M 口、24 个10M 口的交换机来组建局域网。如果10M 还不能满足工作站间的网络通信需求,就全部采用10M/100M 自适应交换机。

    双绞线:采用5 类或超5 类双绞线,每根UTP 需要两个RJ-45 连接器(俗称水晶头)。 所有硬件准备好后,用双绞线将每一台工作站、服务器中的网卡与集线器连接起来,局域网硬件部分就大功告成,接下来就到软件部分的安装。

    3.操作系统的选择服务器的采用Windows 2000 Server 网络操作系统,工作站可采用Windows 9x、Windows Me 或Windows 2000 Professional 操作系统,配置好服务器的服务设置和网络配置之后,安装好工作站的操作系统及网络相关设置,便可进行局域网的整体调试,调试通过,局域网组建工作完成。

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     局域网即时通讯工具的设计与实现 PS:等有空了,放源码讲解吧。。。。 目录 局域网即时通讯工具的设计与实现 1.引言 1.1课题背景及意义 1.2发展现状 1.2.1产品同质化的现象严重 1.2.2产品定位不够精准 ...

     

                                  局域网即时通讯工具的设计与实现

    PS:等有空了,放源码讲解吧。。。。

    目录

    局域网即时通讯工具的设计与实现

    1.引言

    1.1课题背景及意义

    1.2发展现状

    1.2.1产品同质化的现象严重

    1.2.2产品定位不够精准

    1.3系统目标

    1.3.1显示主机名称及IP地址

    1.3.2收发文件、发送实时图像及发送录音

    1.3.3历史记录和下线刷新

    1.4运行环境及开发语言

    1.4.2开发运行环境的

    1.4.3系统开发语言

    2.相关开发技术

    2.1WPF(Windows Presentation Foundation)

    2.2C/S模式

    2.3多线程编程技术

    2.3.1进程与线程

    2.3.2多线程、线程池

    2.4TCP/UDP协议

    2.5Winsock网络编程

    3.系统需求分析

    3.1系统总体需求分析

    3.2系统流程图

    3.2.1发送端流程图

    3.2.2接收端流程图

    3.3系统可行性分析

    3.3.1技术可行性

    3.3.2经济可行性

    3.3.3操作可行性

    4.系统设计

    4.1系统总体设计

    4.2主界面的设计

    4.3文字聊天模块

    4.3.1文字聊天

    4.3.2文字聊天流程图

    4.4文件传输模块

    4.5截图模块

    4.6录音模块

    4.7历史记录模块

    4.7.1数据库设计

    4.7.2各种类型信息的记录

    4.7.3历史消息的显示界面

    5.总结和展望

    5.1总结

    5.2展望

    参考文献

     

     

    1.引言

     

    1.1课题背景及意义

    互联网的蓬勃兴起,促进了基于因特网的即时通讯技术的迅速发展。自1998年以来,即时通讯行业发展迅速,其功能日益丰富。如今即时通讯已经发展成一种综合化信息平台,实现终端联网的即时通讯服务[1]。即时通讯是在因特网上扩展会话和分散通信方式的实例[2]。但作为社交工具[3],部分即时通讯软件并不满足有特定需求的用户群体,如对内部网络和Internet的接入有严格限制的用户。部分主流即时通讯软件存在如下问题:①广告等无关信息的不断推送;②对Internet网络的极度依赖;③基本功能之外的扩展功能庞多[4]。而局域网即时通讯工具能有效地解决上述问题[5],有效地提高网络资源利用率。 

    1.2发展现状

    1.2.1产品同质化的现象严重

    腾讯QQ,最开始是通过模仿ICQ起步的。在随后的发展中,通过不断创新,逐步成长起来,甚至超越了ICQ已有的成就,在我国即时通讯市场占有率达到了第一。这种效应模式也被后来许多公司模仿,但部分公司通常会直接模仿,而不进行创新。所以目前,我国即时通讯市场上的软件同质化程度高[6]。

    1.2.2产品定位不够精准

    目前,我国的即时通讯软件大部分属于娱乐为主,功能为辅的类型。开发出的应用功能,基本上都是为娱乐服务的。由于市场化经济的刺激,使得很多通讯工具的功能为了体现新颖,目的是为了吸引用户下载使用。但是,由于目前即时通讯工具庞杂,各类新颖的功能也层出不穷,使得许多功能不适用于用户群体,导致功能虽然看上去新颖,但是明显觉得多余,甚至是由于某些新颖的功能,而让用户放弃使用[7]。

    1.3系统目标

     

    1.3.1显示主机名称及IP地址

     

    在程序启动时,使用Winsock获取本机主机名称及MAC地址,将信息封装到UDP数据包中,每两秒在局域网中广播一次。局域网内的其他主机通过解析广播包,获取到本机的名称、MAC地址和IP地址。然后在系统的主界面能够显示局域网中其它已经安装并运行该工具的主机名称和IP地址,使用MAC地址标记各主机的昵称。同时,可以和其它主机进行文字聊天。

    1.3.2收发文件、发送实时图像及发送录音

    任何一台主机可以和其它主机进行收发文件,包括但不限于WORD、PPT、ZIP等文件格式。其次,实现类似QQ的实时截图功能。通过获取整个屏幕图片,利用鼠标选取特定区域,向选定主机发送。同时,通过调用winmm.dll中的mciSendString方法实现录音功能,点击录制语音,可发送给选定的主机。

    1.3.3历史记录和下线刷新

    保留与其它主机的通信信息,通过将历史记转换成特定格式存储到数据库,以达到保存历史记录到本地的功能。在系统下次启动后,用户能查阅之前的历史记录,也可以选择清空历史记录。但清空记录并不删除已经接受的文件和截图。

    1.4运行环境及开发语言

     

    1.4.2开发运行环境的

     

    本系统是一个面向中小型企业机构,满足内部通讯需要的局域网即时通讯系统。开发此系统所需的基本软、硬件环境为:

    (1).操作系统:Windows XP 64bit、Windows 7 64bit及Windows 8等其它64位操作系统

    (2) 内存:2G以上内存

    (3) 处理器:Intel Pentium PIII或更高处理器。

    (4) 通讯网络:局域网

    1.4.3系统开发语言

    本系统使用C#语言在VS2012平台上开发。C#是基于C/C++的面向对象的编程语言。它的主要优点:一是具有优异的快速开发能力,二是支持面向对象的方法[8]。

     

    2.相关开发技术

     

    2.1WPF(Windows Presentation Foundation)

    WPF是为.NET框架设计的全新的软件界面显示系统。为了方便软件开发人员使用该系统的功能,微软提供了一个编程类库。这个编程类库具有以下四点特性:1、对用户界面功能更广泛的支持和融合。2、声明式脚本语言的引入与正式支持。3、更简单的安装与配置4、更新的文字排版支持[9]。

    同时,比较基于GDI的图形界面程序拥有以下优越的特性:1、显示图形的设备无关性。2、更高的画面精度。3、对界面重叠的更好的处理。4、WPF显示使用了硬件加速。5、通过脚本控制界面执行效果。6、WPF的可移植性[9]。

    2.2C/S模式

    直接或间接地通过网络协议与其他计算机进行通信,是网络编程的目的。其的基本模型是客户机/服务器模型(Client/Server Model,简称C/S模式)[10]。而C/S模式在实际应用操作过程中采取主动请求方式,在客户进程发出请求完全是随机的,同时,可能有若干个用户请求连接同一个服务器。这就要求服务器具有解决并发请求的能力[11]。

    2.3多线程编程技术

     

    2.3.1进程与线程

     

    在Windows系统中,系统具有同时运行若干个程序的能力,而每个运行中的程序就是一个进程。进程是操作系统结构的基础。线程是进程中的一个实体。线程之间的相互制约,会导致线程在运行中呈现出间断性[12]。

    2.3.2多线程、线程池

    通过运行单个程序来创建多个线程来完成各自的功能,从而提高CPU的利用率。但多线程具有明显缺点:1、线程数量越多,系统内存消耗越大。2、为了管理并协调这些线程,需要CPU花费更多的时间跟踪。3、当线程之间访问共享资源时,可能会导致不可预知的问题。

    而线程池,能弥补线程的部分缺点。通过有限固定的少量线程执行大量程序代码,从而减少创建与销毁线程带来的性能开销。通过设置最大并发线程数,解决线程之间访问共享资源的问题。

    2.4TCP/UDP协议

    UDP(User Datagram Protocol):用户数据包协议,是无连接、不可靠的传输层协议,提供尽力服务但不保证数据的完整性。但相比较于TCP一对一的连接,UDP能提高广播和多播服务。广播(Broadcastinig)使用广播地址255.255.255.255(需要指明接收者的端口号),可以将信息发送到在同一网络内的所有主机。同时为了避免未来瘫痪,路由器不会转发本地广播信息。多播,即对同一网络中部分主机进行了逻辑分组。在数据接收发送时,数据包在网络中传播,分组内的主机会对数据作出响应,而没有被划入这个分组的主机将在数据链路层丢弃这些数据包。

    TCP(Transmission Control Protocol):TCP是面向连接的通信协议,所以只能用于端到端的通讯。TCP层将包排序并进行错误检查,同时实现虚拟电路间的连接[13]。

    2.5Winsock网络编程

    在编程中涉及到网络访问控制的开发人员可直接引用System.Net.Sockets命名空间。该命名空间封装有Winsock(Windows Sockets) 接口的托管实现,。Socket是计算机进行通信的端口,是相关网络应用程序设计中的重要的概念[14]。

    在实际编程中,直接使用Socket类,可以获得更多的控制,可以使用不同的协议,不仅包括基于TCP或UDP的协议,还可以自定义自己的协议,更多地控制基于TCP或UDP的协议。接收数据的方法有两种:Socket类的Receive方法和NetworkStream的Read方法,发送数据也有对应的两种方法:Socket类的Send方法和NetworkStream的Wtire方法[15]。

    NetworkStream类能保证用户发送的数据,在不需要用户管理的情况下,自动地全部发送到TCP缓冲区,大大简化了编程工作,同时还提供了许多实用的属性和方法,所以在实际编程中,应用的较多。

     

    3.系统需求分析

     

    3.1系统总体需求分析

    本系统是一个局域网内的即时通讯工具,根据毕业设计需求,本系统将分为五个系统:1、简单文字聊天子系统,在局域网中选择同样安装本系统的用户,可以一对一发送简单的文字信息。2、文件传输子系统,将文件转化成文件比特流,传输到选定的用户,再转化还原成文件。3、仿QQ截图子系统,捕捉并显示整个屏幕的图像,通过相应的鼠标事件,可以选取图像的部分,发送给选定的用户。4、简单录音子系统,点击录制语音信息,可发送给选定的用户。5、历史信息存储子系统,记录与每个用户的聊天信息(包括文字信息、文件、截图),形成相应的记录存储在数据库SQLite中。本系统的功能类似飞鸽传书软件。在设计系统界面时,按照简洁、直观的特点安排,在编程时应充分考虑UDP(User Datagram Protocol)及TCP(Transmission Control Protocol的优缺点,实现局域网内用户之间沟通便捷,资源共享快速。

    3.2系统流程图

    3.2.1发送端流程图

     

    图3-1是发送端主机发送信息的流程图。在启动程序时,会根据局域网中的广播报文生成相应的用户主机列表。选择需要聊天的主机,根据传输的信息不同,转换成相应的比特流并封装,然后发送给目标主机。

                                                                               图3-1 发送端业务流程图

    3.2.2接收端流程图

    图3-2是接收端主机接收信息的流程图。在启动程序时,根据广播信息生成相应的用户主机列表。接收到数据并作分析处理。根据信息类型的不同,生成相应的记录并显示在对应的地方。其中文件信息,需要用户判断是否接受。若不接受,将舍弃。若接受,则做与其他类型相似的处理。

                                                                               图3-2 接收端业务流程图

    3.3系统可行性分析

    3.3.1技术可行性

     

    本系统是为方便局域网内部人员交流沟通开发的。具体设计实现涉及到C#编程、TCP/IP 协议及WinSock网络编程、多线程编程技术。而本人在之前的大学课程中均有所涉及,借此机会,更加深入地学习、理解。

    3.3.2经济可行性

    成本方面:由于本系统的设计与实现属于教学科研的一个环节,并且由指导老师义务指导。所以开发本系统的经济成本是低的。

    效益方面:开发一个合理的系统,可大大节约网络资源,曾经依赖Internet的接入传输的信息,现在使用本系统就可以在局域网传输,大大减少数据报跳转的路由数量。综合考虑以后,开发本系统的经济可行性高。

    ​​​​​​​3.3.3操作可行性

    本系统的目的是方便局域网内部人员。并且由于系统功能简单,其相应的界面简洁,用户只需通晓简单的电脑操作知识,就能自由地应用本软件。

     

    4.系统设计

     

    4.1系统总体设计

    本系统主要分为五个部分:1、简单文字聊天。2、文件传输。3、仿QQ截图。4、简单录音。5、历史记录。所以接下来将系统分为五大模块来介绍。

    本系统设计实现时,关键的部分在于如何在局域网中发送接收数据,并对接收的数据进行解析。在本系统中,发收数据是采用C/S结构,每个运行在电脑的系统即是客户端又是服务端。在本系统中,UDP用于发送上线下线的数据包,TCP用于发送文本、文件、截图的数据包。在系统启动时,会同时启动三个线程:

    1、用UDP广播方式广播本机上线信息:

    每两秒发送一个UDP广播包,封装的数据为,表示加入聊天系统的字符串“JOIN”,即自定义的数据类型,随后是本机用于网络通信的网卡的MAC地址,最后一部分是本机的主机名

    2、在本地所有IP地址的8001端口监听任意IP地址发出的UDP报文:

    按照自定义封装的数据类型解析。如果是“JOIN”类的数据包,按MAC地址查询数据库,检查是否有相应的昵称记录,有就返回,反之就将新用户插入数据库。在主界面显示出数据包分析得出的用户信息。如果是“LEAV”类数据包(当系统关闭时会发出一个“LEAV”类数据包),则说明有用户下线,在主界面移除数据包分析得出的用户信息。

    3、在本地所有IP地址的11000端口监听其它主机的TCP连接请求:

    设置监听最大连接个数为100.每接收到一个请求,都会新建一个套接字(用于连接发出这个请求的主机),并新开线程处理这个新连接的数据接收,原线程继续监听。所有对已接收数据的处理都封装在ChatSession类中(对数据包的处理主要都在ChatSession类的StartChat方法中)。数据包内容的开头设置字符表达数据的类型,“MESS”表示,是普通的文本信息转化成的数据。“FILE”表示,是文件转化成的数据。“PICT”表示,是图片转化成的数据。不同类型的数据将在功能模块里面详细说明。但,不管是怎样的数据都会生成相应的记录插入到数据库中。

    其中UDP广播通知上线的主要代码为:

    public void BroadCast(object state) {

                UdpClient udpClient = new UdpClient();

                IPEndPoint ep = new IPEndPoint(IPAddress.Broadcast, 8001);

                string message = "JOIN" + GetMacAddress() + (string)state;

                byte[] buff = Encoding.Default.GetBytes(message);

                while (!completed) {

                    udpClient.Send(buff, buff.Length, ep);

                    Thread.Sleep(2000);

                }

                udpClient.Close();

                return;

            }

    private static string GetMacAddress(){

                try{

                    string strMac = string.Empty;

                    ManagementClass mc = new ManagementClass("Win32_NetworkAdapterConfiguration");

                    ManagementObjectCollection moc = mc.GetInstances();

                    foreach (ManagementObject mo in moc){

                        if ((bool)mo["IPEnabled"] == true) {

                            strMac = mo["MacAddress"].ToString();

                            break;

                        }

                    }

                    moc.Dispose();

                    mc.Dispose();

                    return strMac;

                }

                catch{

                    return "unknown";

                }

            }

    其中UDP广播通知下线的主要代码为:

    public void Leave(string state) {

                UdpClient udpClient = new UdpClient();

                IPEndPoint ep = new IPEndPoint(IPAddress.Broadcast, 8001);

                string message = "LEAV" + state;

                byte[] buff = Encoding.Default.GetBytes(message);

                udpClient.Send(buff,buff.Length,ep);

                udpClient.Close();

                return;

            }

    4.2主界面的设计

    因为本系统的用户设计主要是针对用户在局域网内的日常活动,以及考虑到毕业设计的时间要求,所以本系统的界面较为简单,以便给用户提供一个上手快,理解简单的使用环境。为了方便用户选择单个用户发送信息,所以在主界面左侧设计了一个ListView,用于显示所有同一局域网内上线的用户,见图4-1,ListView的子项包括了用户名、IP地址及昵称(昵称存储在本地数据库)。为了方便用户辨别本机,将本机信息显示在界面上侧。

                                                                                        图4-1 主界面显示

     

           为了方便区分各个用户,添加了昵称功能。修改昵称的控件将显示在主界面的下侧。右击准备修改昵称的用户,可以编辑昵称,昵称将以MAC地址为主键存储在本地数据库,修改后在用户列表中实时刷新,系统下次启动还能显示。如图4-2.

                                                                                        图4-2  修改昵称

    点击任意一个用户,将出现与这个用户的聊天控件,控件将显示主界面的右侧,并显示这个用户发送给本机的未读信息。为了有条理的、直观地显示信息,设计了一个ListView用来显示。ListView的子项具有点击事件。

                                                                                      图4-3 聊天界面

    4.3文字聊天模块

    4.3.1文字聊天

     

    点击某个用户后,出现聊天控件,后台程序记录被点击的用户信息。同时,会启动一个新线程,不断查询数据库中是否有这个用户发送的未读信息。有就返回这些未读信息,将这些信息显示在当前显示消息的ListView中,并将这些未读信息更新为已都读。

           发送端:当需要向特定用户发送信息时,直接在右下的文本框中编辑,点击发送按钮,后台后台会获取文本框中的内容,将获取到的文本信息加上“MESS”的信息头部,再转换成比特数据。结合之前记录的用户信息,初始化套接字Socket为字符流方式的TCP通信,通过三次握手协议建立连接,实现点对点的数据传输,发送比特数据,关闭Socke连接,生成相应已读类型的记录更新到数据库,同时也将信息添加到显示信息的ListView中。

           接收端:通过协议建立连接,接收的数据包,调用ChatSession类的StartChat方法解析,如果是文本信息,生成标记为未读信息的记录插入到数据库中,接收完数据,关闭连接。文件、截图类信息,另行处理。

    因为一旦数据发送接收完就关闭连接,所以不需要考虑TCP数据包粘包的问题。

    ​​​​​​​4.3.2文字聊天流程图

    图4-4是文字聊天发送端流程图。用户在聊天列表中,点击接收信息的用户,后台会记录所选的用户。在文本框编辑需要发送的信息并点击“发送”按钮。将获取文本框内的信息并加上头部“MESS”,形成要发送的信息。通过编码将信息转换成比特流,在与目标主机建立连接后发送比特流,发送完毕则关闭连接。最后,形成相应的信息记录插入到数据库中。

                                                                               图4-4 文字聊天发送端流程图

    图4-4是文字聊天接收端流程图。在建立连接后,接收比特流数据。数据接收完,就关闭连接,分析比特流数据,得到文本信息。最后,生成对应的未读信息记录插入到数据库中。

                                                                               图4-5 文字聊天接收端流程图

    4.4文件传输模块

    系统的文件传输也要求尽量像文字聊天一样,简单易操作,同时充分发挥局域网的优势。其中,建立连接的部分和文字聊天中的一致。因为本系统中传输文件是有自定义的数据头部,实现带文件名的传输,因此接下来将着重介绍对文件的封装。

    点击用户,然后点击聊天控件中的发送文件按钮,将出现打开文件的对话框,如图4-5。选择文件并发送。后台获取文件路径,将对应文件使用FileStream类直接转换成文件流。使用自定义的FileNameHead类中GetBytes方法得到,图4-6中除文件流以外的比特部分。其中包括用来表示报文类型的“FILE”字段,文件名转化成比特流后的长度以及文件名的比特流,生成相应的已读类型的消息记录,更新到数据库及显示信息的ListView中。

                                                                               图4-5 打开文件对话框

           在图4-6中,除文件流以外部分的比特流,统一使用Unicode编码,文件名的比特流长度使用Int32类型的变量表示。所以FILE字段对应的比特流定长为8比特,文件名的比特流长度的比特流定长为 4比特,文件名的比特流及文件流不定长,但文件名的比特流长度可以通过解析前一个字段得到。因为一旦数据发送接收完就关闭连接,所以不需要考虑文件流长度不定的问题。

                                                                                            图4-6  TCP数据的内容

    主机接收文件数据时,会结合用户列表显示是哪个主机发送的,并询问是否接收,如图4-7。如果选“是”,随即出现保存文件对话框,从图4-8中,可看到文件名是已经设置好的。主机接收数据时,首先根据数据开头部分判断出是文件数据,再依据图4-6的格式进行解析,具体操作也封装在FileNameHead类中。生成相应的未读类型的消息记录,更新到数据库中。

                                                                                            图4-7 接收文件

                                                                                      图4-8 保存文件对话框

    其中FileNameHead实现的主要代码为:

    class FileNameHead{

            public static byte[] GetBytes(string FileName){

                byte[] fileNameByte = Encoding.Unicode.GetBytes(FileName);

                byte[] fileNameLengthForVauleByte = Encoding.Unicode.GetBytes(fileNameByte.Length.ToString());

                byte[] fileAttributeByte = new byte[fileNameByte.Length + fileNameLengthForVauleByte.Length];

                fileNameLengthForVauleByte.CopyTo(fileAttributeByte,0);

               fileNameByte.CopyTo(fileAttributeByte,fileNameLengthForVauleByte.Length);

                return fileAttributeByte;

            }

            public static int GetFileNameByteLength(byte[] FileNameHeadByte){

                byte[] fileNameLengthForVauleByte = new byte[4];

                Array.Copy(FileNameHeadByte, 8, fileNameLengthForVauleByte,0,4);

                string FileNameByteLength = Encoding.Unicode.GetString(fileNameLengthForVauleByte);

                int FileNameByteLengthNum = Convert.ToInt32(FileNameByteLength);

                return FileNameByteLengthNum;

            }

            public static string GetFileName(byte[] FileNameHeadByte, int FileNameByteLength){

                byte[] fileNameBytes = new byte[FileNameByteLength];

                Array.Copy(FileNameHeadByte, 12, fileNameBytes, 0, FileNameByteLength);

                string FileName = Encoding.Unicode.GetString(fileNameBytes);

                return FileName;

            }

        }

    4.5截图模块

    截图模块中的连接部分与文字聊天的相同,截图完成后,保存为图片文件,传输方式与文件传输模块的相同。因此接下来将着重介绍截图功能。

    点击用户,然后点击聊天控件中的发送文件按钮。启动名字为ScreenCut的WinFrom窗口。在窗体的加载事件中,通过调用Graphics类的CopyFromScreen方法获取到电脑屏幕的截图,并设置为窗体的背景图像和原图,然后出现相应的提示。如图4-9

                                                                                      图4-9 截图提示

    在ScreenCut窗口的后台代码中,主要监听鼠标的点击事件。需要监听的鼠标点击事件主要分为三个:

    1、鼠标按鈕已按下的事件

    当鼠标第一次点击时,判断是鼠标右键还是左键:右键则关闭当前窗口退出截图。左键,则判断,图片有没有出现用于截取部分图片的红色边框,有就记录鼠标位置,没有就记录鼠标下落的点,同时设置Rectangle类变量Rect的X、Y的值。

    2、鼠标移动事件。

    当鼠标移动时,判断图片有没有出现用于截取区域的红色边框。如果有边框,而且鼠标左键处于点击状态,比较上次位置的鼠标位置,计算偏移量,使用Graphics类的DrawRectangle方法,在原图的基础上重新绘制红色边框,并将新绘制的图片显示在窗口中。因为不断刷新重新绘制的原因,所以用户在使用时,感受不到卡顿,直观上会以为红色边框在随鼠标移动。如果没有出现过红色边框,但鼠标左键处于点击状态。同样需要不断绘制边框,但需要考虑鼠标目前所在的点,与左键下落的点之间的位置关系,从而设置变量Rect的宽度和高度。截图效果如图4-10

    3、鼠标双击事件。

    只需要对一种情况进行处理。如果是鼠标左键点击,并且是在红色边框内点击的,则使用Graphics类的CopyFromScreen方法截取对应部分区域的图片。然后将图片保存在系统程序所在的目录下的pic文件夹中(若不存在,将被创建),图片的文件名将以DateTime.Now.ToFileTime().ToString()的返回值命名。返回值是当前时间的长整型数字,这个数字是由年精准到微秒的。最后启动SendPic窗口,关闭当前窗口。

                                                                                     图4-10 截图效果展示

    在SendPic窗口,显示刚刚截取的图片,具体效果图如图4-11。若点击“发送”按钮。将调用自定义的ClassSendPic类发送图片,同时生成相应已读类型的记录更新到数据库,同时也将信息添加到显示信息的ListView中。接收信息的客户端,将生成标记为未读信息的记录插入到数据库中。

                                                                                图4-11 发送图片窗口展示

    4.6录音模块

    录音模块的非关键部分与之前模块的相似,包括建立连接和传输方式。接下来具体介绍录音功能的实现。

    在聊天控件中,点击录音按钮,将启动名为Recording的窗口,如图4-12。在窗体的加载事件中,初始化录音设备并开始录音,即窗体一启动,系统就开始录制语音。

    在窗体的后台代码中,使用DllImport导入winmm.dll中的mciSendString方法。之后的录音操作都设计到此方法。

                                                                                        图4-12 录音界面

    点击发送按钮,停止录音,并将已录制的语言信息保存为WAV文件。文件将保存在系统程序所在的目录下的rec文件夹中(若不存在,将被创建),文件名的命名方式与截图的命名方式相同。随后实例化ClassSendReco类,新建一个线程执行ClassSendReco类的SendReco方法,传输语言信息。

    点击取消按钮,系统将停止录音并关闭录音界面,不保存录制的语音文件。

    4.7历史记录模块

    历史记录模块的功能是将历史记录保存在本地,在本系统下次启动时后还能显示出来,用户也可以清空历史记录.在系统启动时,会检查是否存在数据库和表,若没有则创建。考虑系统的应用环境和项目要求,所以数据库采用嵌入式数据库SQLite。同时,本功能模块主要的部分是数据库的设计以及对数据库的操作。

    ​​​​​​​4.7.1数据库设计

    根据软件需求分析。为了良好、有效地记录历史信息,设计了一个包含2个表的数据库,分别为:

    用户昵称表:放置了2个属性,分别为(MAC地址,用户昵称)。

    聊天信息表:放置了7个属性,分别为(信息号,MAC地址,发言人,消息类型,消息内容,是否读过,消息时间)

    1. 用户昵称表

                                                                               表1 Nick表

    字段名称

    数据类型

    是否允许为空

    主键

    描述

    MacAdd

    varchar(40)

    通信网卡的物理地址

    Nickname

    varchar(40)

    -

    用户昵称

     

    1. 聊天信息表

                                                                                表1 Detail表

    字段名称

    数据类型

    是否允许为空

    主键

    描述

    Did

    INTEGER

    用来标记的ID,设置为自动增长

    Dmac

    varchar(40)

    -

    物理地址

    Dspeak

    varchar(30)

    -

    发言人

    Dtype

    INTEGER

    -

    消息类型

    Dcont

    varchar(150)

    -

    信息的内容,根据Dread的值而不一样

    Dread

    INTEGER

    -

    是否读过的标识

    Ddatetime

    datetime

    -

    默认设置为插入信息的时间

     

                                                                                图4-13 Detail表数据库显示

    4.7.2​​​​​​​各种类型信息的记录

    每一条插入到数据库Detail表的数据都具有以下7个:

    Did:每条信息的ID号,用于标记,设置为从1开始自动增长。

    Dmac:用于区分消息,表示这条消息是与网卡MAC地址为Dmac的主机的通信过程中产生的。

    Dspeak:记录在这次通信中,这条信息是哪个主机发送的。

    Dtype:用数字类型记录信息类型,0表示文本信息,1表示文件信息,2表示截图的图片信息,3表示录制的语音信息

    Dcont:根据Dtype的值而不同,Dtype为0时,存储文本信息内容,Dtype为1、2或3时,存储文件、截图或音频的文件路径

    Dread:用数字类型标记这条消息是否读过,0表示未读,1表示已读

    Ddatetime:设置时间默认为插入这条信息的时间

    ​​​​​​​4.7.3历史消息的显示界面

    点击用户,然后点击“历史记录”按钮,将启动一个新窗口显示与这个用户的聊天记录,具体显示效果,如图4-13. 窗口中有个ListView用于显示。点击“清空”按钮,将调用自定义的DetailDAL类中的DeleteOne方法,删除与当前用户的所有聊天记录。

                                                                                图4-14 历史消息记录的显示

     

    在消息记录的显示界面中,点击ListView的子项。若是文件信息,将打开文件所在的文件夹。若是截图的图片信息,将打开一个DisplayPic的WinForm窗口用于显示图片。若是语音信息,则使用MediaElement控件播放音频文件。如图4-14.聊天界面中,信息显示的ListView同样具有这样的功能。

                                                                                    图4-15 点击截图显示

     

    5.总结和展望

     

    5.1总结

    在此次毕业设计中,我使用了C#语言和VS2012开发工具开发了一个基于WINJDOWS平台的局域网即时通讯工具。该系统在提高网络资源利用率的同时,实现了文字聊天、文件传输、实时截图和语言发收的功能。通过这次实践,大大提高了我的实际动手能力, 同时也锻炼了我的资料查阅搜寻的能力。

    在这次设计中,我充分了解到了C#语言的优秀性能和VS2012在开发方面的高效。同时,我也认识到了学习的重要性。在查阅资料的工程中,从刚开始的盲目看WPF相关书籍,到中期有选择地看C#语言书籍和C#开发范例书籍,再到后期针对性地在收集资料。在实际实现的过程中,最初盲目觉得功能简单,同时高估了自己的能力,计划短时间内实现,导致未完成最初的计划安排。后来,通过反思,开始尝试逐步实现各个功能,并对每一项功能键都进行一个详细的过程安排。文字聊天中的发送端发送信息大致分成五步实现。这次毕业设计,不仅使我感受到了自己的不足,也是我具有初步的系统开发能力。

    5.2展望

    由于时间的仓促,同时也受限于个人的开发能力,本系统还存在一些技术上的问题,在今后的学习实践中,还可以进行不断的修改和完善。可改进的方面大致可以分为五。

    1、主界面与聊天界面的分离。由于功能是逐步实现的,在实现文字聊天功能时,没有历史记录功能,同时Socket绑定监听的原因,导致主界面与聊天界面在同一窗口中。最直接的结果是用户不能同时和多个用户聊天。

    2、文件传输进度的显示。在传输大文件时,用户不确定文件的传输进度,由此可能会产生不可预知的情况。

    3、截图的改善。在截取图片时不够直观,图片的质量也不高。

    4、音频的质量。因为使用WINDOWS API函数的原因,录取的音频质量不高,带有一定的噪音。

    5、添加新功能,包括但不限于语言通话、视频通话等。

     

    参考文献

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    10. 李红.基于C/S模式的SOCKET网络编程分析[J].现代商贸工业, 2009,9:259-260.
    11. 张晓明.C#网络通信程序设计[M].北京:清华大学出版社,2015.
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    15. Christian Nagel.C#高级编程:C# 6 &.NET CORE 1.0[M]. 北京:清华大学出版社, 2017.4
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  • (一)局域网中的传输介质 1.同轴电缆 ...两台计算机通信时,发送端计算机的网卡负责将计算机待发送的数据转换为能够通过传输介质传送的信号,这些信号通过传输介质传输到目的地的设备;接收端计算...

    (一)局域网中的传输介质

    1.同轴电缆
    2.双绞线:目前局域网布线中使用最多的一种传输介质
    3.光纤:传输的是光束而非电气信号,不会受到电磁的干扰

    (二)局域网中的连接设备

    1.网卡(网络适配器):负责将计算机连接到网络上,可连接光纤,网线。
    主要功能:
    两台计算机通信时,发送端计算机的网卡负责将计算机待发送的数据转换为能够通过传输介质传送的信号,这些信号通过传输介质传输到目的地的设备;接收端计算机的网卡接收传递来的信号,并将其转换为计算机能够处理的数据。
    工作原理:
    (1)发送数据时,计算机把要传输的数据并行写到网卡的缓存,网卡对要传输的数据进行编码,串行发送到传输介质上
    (2)接收数据时,则顺序读入由其他网络设备(路由器、交换机、集线器或其他网卡)传输过来的数据包,经过拆分,将其变成客户机或服务器可以识别的数据,通过主板上的总线将数据传输到所需设备中(CPU、内存或其他设备)

    2.集线器
    功能:随机选出某一端口的设备,并让它独占全部带宽,与集线器的上联设备(交换机、路由器或服务器等)进行通信。集线器只是一个多端口的信号放大设备,工作中当一个端口接收到数据信号时,由于信号再从源端口到Hub的传输过程中已有了衰减,所以集线器便将该信号进行整形放大,紧接着转发到其他所有处于工作状态的端口上。

    3.交换机
    功能:交换机是交换式集线器的简称,交换机只将受到的数据包根据目的地址转发到响应的端口,同一时刻实现多个端口之间相互通信,因此没有共享式网络连接的级联个数的限制。

    集线器与交换机的区别:
    (1)首先,我们现在使用的以太网采用的工作方式是CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测),对于发送端来说,它每发送一个数据信息时,首先对网络进行监听,当它检测到线路正好有空,便立即发送数据,否则继续检测,直到线路空闲时再发送。对于接收端来说,对接收到的信号首先进行确认,如果是发给自己的就接收,否则不予理睬。
    (2)共享式网络对应的就是集线器,所有端口(客户)对应同一条带宽,而一个通道在某一时刻只充许一个用户占用,所以大量的经常处于监测等待状态,致使信号在传送时产生抖动、停滞或失真,严重影响了网络的性能。而且集线器采用广播的形式传输数据,即向所有端口传送数据,数据包中会包含地址信息,对应的地址才会接收数据包。故同一时刻只有一对设备在通信。
    (3)交换网络对应的是交换机,采用交换式技术,在交换机内部建立了一张表,可以在数据帧的始发者和接收者之间建立临时的交换路径,使数据从源地址到达目的地址。所有端口均有独享的信道带宽,以保证每个端口上数据的快速有效传输。交换机为用户提供的是独占的、点对点的连接,数据包只被发送到目的端口,而不会向所有端口发送。
    参考:https://zhidao.baidu.com/question/414452254.html

    4.路由器
    路由器是大型局域网和广域网中的重要数据交换设备。所谓“路由”,是指把数据从一个地方传送到另一个地方时需要执行的行为和动作,而路由器,正是执行这种行为动作的机器。
    功能:
    (1)网络互连,路由器支持各种局域网和广域网接口,主要用于互连局域网和广域网,实现不同网络互相通信。
    (2)数据处理,提供包括分组过滤、分组转发、优先级、复用、加密、压缩和防火墙功能。
    (3)网络管理,路由器提供包括配置管理、性能管理、容错管理和流量控制等功能。
    参考:http://baijiahao.baidu.com/s?id=1596373286946216952&wfr=spider&for=pc

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  •  局域网IP电话使用统一的网络通信设备和布线来传输话音和数据。 在传统的PBX (专用小交换机)系统中,话音呼叫通过与办公PBX连接的一系列标准话音线路进入办公室,即通过一种专用设备在标准的电话配线上接收和疏导...
  • 计算机网络与通信局域网

    千次阅读 2020-05-30 23:26:56
    局域网这个词大家听起来应该不陌生,但他是如何工作的呢? 通过这篇文章一起来学习一下: 局域网概述 共享式以太网 交换式以太网 高速局域网 无线局域网 1. 局域网概述局域网的发展历程1969年诞生了世界第一个由大型...

    局域网这个词大家听起来应该不陌生,但他是如何工作的呢?

    通过这篇文章一起来学习一下:

    1. 局域网概述
    2. 共享式以太网
    3. 交换式以太网
    4. 高速局域网
    5. 无线局域网

    在这里插入图片描述

    1. 局域网概述

    局域网的发展历程

    1969年诞生了世界第一个由大型主机构成的ARPANET网络(是广域网)之后,随着PC的普及和对数据共享的需求,人们开始研究局域网(LAN),1973年诞生以太网(Ethernet)。

    1980年美国DEC、Intel与Xerox三家公司联合提出以太网规范(DIX Ethernet V1),这是世界上第一个局域网技术标准。82年升级为DIX Ethernet V2,83年的以太网国际标准IEEE 802.3就是参照以太网的技术标准建立的,两者基本兼容。

    在这里插入图片描述

    局域网的特点

    • 局域网(LAN):
      地理范围有限,以实现资源共享为基本目的的高速计算机网络。

    特点:

    1. 本质特征:分布距离短、数据传输速度快、低误码率
    2. 网络为一个单位拥有,不受公共网络束缚。
    3. 广播式通道:多节点共享传输介质,因此使用广播信道的局域网也被称为共享式局域网。技术关键是共享信道分配问题,亦称为介质访问控制MAC。

    虽然交换式局域网在有线领域已完全取代了共享式局域网,但无线局域网仍然使用的是共享媒体技术。

    局域网主要技术要素

    1. 传输介质 :双绞线、基带同轴电缆、光纤、无线。
    2. 网络拓扑: 要注意物理拓扑和逻辑拓扑
    3. 介质访问控制方法:局域网中各节点对共享通信介质的使用方法,不同类型的局域网通常使用不同的介质访问控制协议 。

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    物理拓扑和逻辑拓扑

    • 物理拓扑指网络的几何形状,即通常意义的拓扑;
    • 逻辑拓扑则指各节点信息在通信介质中传输的流动形式。

    在这里插入图片描述

    局域网体系结构

    IEEE 802委员会为局域网制定了一系列标准,它们统称为IEEE 802标准, 85年成为ISO国际标准。包括局域网参考模型与各层协议(局域网体系结构)。

    在这里插入图片描述

    IEEE802局域网参考模型

    为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准,IEEE 802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层:

    • 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层;
    • 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。

    在这里插入图片描述

    数据链路层的两个子层

    与媒体接入控制有关的内容都放在 MAC子层,而 LLC 子层则与传输媒体无关。

    不管采用何种协议的局域网,对 LLC 子层来说都是透明的。

    由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网,因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC(即 802.2 标准)的作用已经不大了。

    很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。

    IEEE 802为局域网制定的协议

    • 802.1 描述体系结构以及网络管理和网络互连等。
      802.1Q:虚拟局域网(1998)
    • 802.2 定义了逻辑链路控制(LLC)子层的功能与服务
    • 802.3 CSMA/CD访问控制方法与物理层规范。
      802.3i: 描述10Base-T访问控制方法和物理层技术规范。(1990)
      802.3u: 100BASE-T访问控制方法与物理层规范。
      802.3z: 1000Base-X访问控制方法和物理层技术规范。
      802.3ab: 1000BASE-T访问控制方法与物理层规范
      802.3ac:描述VLAN的帧扩展(1998)
      802.3ae:10GBase-X访问控制方法和物理层技术规范。(2003)
    • 802.4:描述Token-Bus访问控制方法和物理层技术规范。
    • 802.5 TOKEN-TING访问控制方法与物理层规范
    • 802.6:描述城域网(MAN)访问控制方法和物理层技术规范(1994)。
    • 802.7:描述宽带网访问控制方法和物理层技术规范。
    • 802.8 :FDDI局域网访问控制方法与物理层规范
    • 802.10:描述局域网网络安全标准(1998)。
    • 802.11:无线局域网访问控制方法与物理层规范(1999)
    • 802.16:描述宽带无线访问标准(Broadband Wireless Access Standards)。

    IEEE 802.4:Token Bus 令牌总线

    在这里插入图片描述

    IEEE 802.4:Token Bus 令牌环

    在这里插入图片描述

    TOKEN RING介质访问控制方法

    令牌环访问控制方式适用于环形逻辑拓扑结构局域网,是一种定时型(确定、有序)介质访问控制方式。

    令牌(TOKEN)是一种特殊的比特组合模式,哪一个节点获取了它,就有权向环路发送数据。其访问控制过程如下图:
    ①截获令牌并且发送数据帧
    ②接收与转发数据
    ③取消数据帧并且重发令牌。

    在这里插入图片描述

    适配器(网卡)

    网络接口板又称为通信适配器 (Adapter) 或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)。网卡既连接局域网中的计算机,又连接局域网中的传输介质。

    适配器的重要功能:

    • 进行串行/并行转换。
    • 数据封装与解封。
    • 编码与译码。
    • 链路管理,主要是CSMA/CD协议的实现。

    计算机通过适配器和局域网进行通信

    在这里插入图片描述

    MAC 层的硬件地址

    在局域网中,硬件地址又称为物理地址,或 MAC 地址。

    802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。

    但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”,所以本书也采用这种习惯用法,尽管这种说法并不太严格。

    IEEE 802 标准规定 MAC 地址字段采用 6 字节 ( 48位) 。

    注意:如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适配器,那么这些设备就有多个“地址”。准确些说,这种 48位“地址”应当是某个接口的标识符。

    48 位的 MAC 地址

    IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段 6 个字节中的前三个字节 (即高位 24 位),称为组织唯一标识符

    地址字段 6 个字节中的后三个字节 (即低位 24 位) 由厂家自行指派,称为扩展唯一标识符,必须保证生产出的适配器没有重复地址

    在这里插入图片描述

    典型的Ethernet地址 : 00-60-8C-01-28-12
    000000001010000010001100 000000010010100000010010

    适配器检查 MAC 地址

    适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址。

    如果是发往本站的帧则收下,然后再进行其他的处理。

    否则就将此帧丢弃,不再进行其他的处理。

    “发往本站的帧”包括以下三种帧:

    • 单播 (unicast) 帧(一对一)
    • 广播 (broadcast) 帧(一对全体)
    • 多播 (multicast) 帧(一对多)

    所有的适配器都至少能够识别前两种帧,即能够识别单播地址和广播地址。

    有的适配器可用编程方法识别多播地址。

    只有目的地址才能使用广播地址和多播地址。

    2. 共享式以太网

    技术概述

    最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠,因为总线上没有有源器件。

    在这里插入图片描述

    共享式以太网(Ethernet)技术特点

    共享式以太网(Ethernet)—指逻辑拓扑结构为总线型的,采用CSMA/CD访问控制方法的基带局域网。Ethernet使用曼彻斯特编码。

    以太网提供的服务是不可靠的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧,其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。

    为了通信简便,采用较为灵活的无连接的工作方式:

    1. 不必先建立连接就可以直接发送数据。
    2. 对发送的数据帧不进行编号,也不要求对方发回确认。

    这样做的理由是局域网信道的质量很好,因信道质量产生差错的概率是很小的。

    以太网的MAC帧格式

    • 常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准 :
      DIX Ethernet V2 标准和IEEE 的 802.3 标准

    两者基本兼容,最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。

    以太网 V2 的 MAC 帧格式

    在这里插入图片描述

    • 类型字段用来标志上一层使用的是什么协议,以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。
    • 数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段。
      最小长度 64 字节 - 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度(46字节)
      当数据字段的长度小于 46 字节时,应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段,以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。
    • FCS:当传输媒体的误码率为 1*10^-8 时, MAC 子层可使未检测到的差错小于 1 * 10^-14。
    • 帧的前面插入(硬件生成)的 8 字节中,第一个字段共 7 个字节,是前同步码,用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段 1 个字节是帧开始定界符,表示后面的信息就是 MAC 帧。

    无效的 MAC 帧

    • 数据字段的长度与长度字段的值不一致;
    • 帧的长度不是整数个字节;
    • 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错;
    • 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。
    • 有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。

    对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。

    帧间最小间隔IFG(Interframe Gap)

    以太网帧间最小间隔为96 bit 的发送时间,10M以太网相当于9600ns。

    一个站在检测到总线开始空闲后,还要等待9600ns才能再次发送数据。

    为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理,做好接收下一帧的准备(流量控制)。

    在这里插入图片描述

    以太网集线器及10BASE-T

    传统以太网最初是使用粗同轴电缆,后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆,最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。

    采用双绞线的以太网采用星形物理拓扑,在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备,叫做集线器 (hub)。

    在这里插入图片描述

    星形以太网 10BASE-T

    1990 年,IEEE 制定出星形以太网 10BASE-T 的标准 802.3i。

    使用无屏蔽双绞线,采用星形拓扑。

    每个站需要用两对双绞线,分别用于发送和接收。

    双绞线的两端使用 RJ-45 插头。

    集线器使用了大规模集成电路芯片,因此集线器的可靠性提高。

    10BASE-T 的通信距离稍短,每个站到集线器的距离不超过 100 m。

    在这里插入图片描述

    10BASE-T 以太网在局域网中的统治地位

    这种 10 Mbit/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现,既降低了成本,又提高了可靠性。 具有很高的性价比。

    10BASE-T 双绞线以太网的出现,是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑,它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。

    从此以太网的拓扑就从总线形变为更加方便的星形网络,而以太网也就在局域网中占据了统治地位。

    集线器的特点

    1. 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作,因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。
    2. 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网,各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议,并共享逻辑上的总线。
    3. 集线器很像一个多接口的转发器,工作在物理层。
    4. 集线器采用了专门的芯片,进行自适应串音回波抵消,减少了近端串音。

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    传统共享式以太网的不足及对策

    不足:

    1. 传统以太网技术建立在“共享介质”基础上,CSMS/CD介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地使用公共传输介质;
    2. 每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断增加而急剧减少;
    3. 网络通信负荷加重时,冲突和重发现象将大量发生,网络效率将会下降。

    在这里插入图片描述
    对策:

    1. 提高数据传输速率:10Mb/s→100Mb/s→10Gb/s →100Gb/s ;
    2. 将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由器互连的子网,导致了局域网互连技术的发展;
    3. 将“共享介质方式”改为“交换方式”导致了“交换式局域网”技术的发展。

    3. 交换式以太网

    随着局域网规模日益扩大,站点数目增多,网络通信负载加重,具有更高性能的交换式以太网在有线领域已完全替代了共享式以太网。

    网桥

    网桥工作在数据链路层,它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。

    在这里插入图片描述

    使用网桥带来的好处

    • 网桥使各网段成为隔离开的碰撞域 ,过滤了通信量。

    • 扩大了物理范围。

    • 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率(如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网)的局域网。

    在这里插入图片描述

    使用网桥带来的缺点

    • 存储转发增加了时延。
    • 在MAC 子层并没有流量控制功能。
    • 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。
    • 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网,否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。

    网桥和集线器的不同

    • 集线器工作在物理层,网桥工作在数据链路层。
    • 网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。
      若在发送过程中出现碰撞,就必须停止发送和进行退避。

    以太网交换机(Swithch)

    1990 年问世的交换式集线器 (switching hub) 可明显地提高以太网的性能。

    交换式集线器常称为以太网交换机 (switch) 或二层交换机 (L2 switch),以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥,可见交换机工作在数据链路层。

    交换机内的电路让每个计算机位于单独的局域网网段上并与其他网段通过网桥连接。

    在这里插入图片描述

    交换机 (switch) 工作原理

    在这里插入图片描述

    共享式与交换式以太网的区别

    共享式以太网平分网络带宽,网络中的站点属于同一个冲突域。

    而交换技术受传统的电路交换的启示,让通信的双方拥有一条不受干扰的独立信道。可以实现多对用户之间的点-点通信。

    在这里插入图片描述

    交换式以太网的技术特点

    • 以太网交换机能同时连通多对接口,使多对主机能同时通信(并发连接);
    • 以太网交换机是一种即插即用设备,其内部的帧交换表是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的;
    • 支持不同的传输速率和工作模式;
    • 低交换延迟–基于硬件交换技术;
    • 支持虚拟局域网服务。

    在这里插入图片描述

    独占传输媒体的带宽而无碰撞地传输数据

    对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网,若共有 N 个用户,则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。

    使用以太网交换机时,虽然在每个接口到主机的带宽还是 10 Mb/s,但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽,因此对于拥有 N 对接口的交换机的总容量为 N*10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。

    以太网交换机的两种交换方式

    1. 存储转发方式
      把整个数据帧先缓存后再进行处理。
    2. 直通 (cut-through) 方式
      接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的 MAC 地址决定该帧的转发接口,因而提高了帧的转发速度。
      缺点是它不检查差错就直接将帧转发出去,因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站。

    在某些情况下,仍需要采用基于软件的存储转发方式进行交换,例如,当需要进行线路速率匹配、协议转换或差错检测时。

    以太网交换机的自学习功能

    以太网交换机运行逆向自学习算法自动维护交换表。

    开始时,以太网交换机里面的交换表是空的。

    在这里插入图片描述

    交换机的逆向自学习和转发帧的步骤

    交换机收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有,就在转发表中增加一个项目(源地址、进入的接口和时间)。如有,则把原有的项目进行更新。

    转发帧,查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目:

    • 如没有,则通过所有其他接口(但进入交换机的接口除外)按进行转发。
    • 如有,则按转发表中给出的接口进行转发。
    • 若转发表中给出的接口就是该帧进入交换机的接口,则应丢弃这个帧(因为这时不需要经过交换机进行转发)。

    按照逆向自学习算法处理收到的帧和建立交换表

    在这里插入图片描述
    考虑到可能有时要在交换机的接口更换主机,或者主机要更换其网络适配器,这就需要更改交换表中的项目。为此,在交换表中每个项目都设有一定的有效时间。过期的项目就自动被删除。

    以太网交换机的这种自学习方法使得以太网交换机能够即插即用,不必人工进行配置,因此非常方便。

    从总线以太网到星形以太网

    早期,以太网采用无源的总线结构。

    现在,采用以太网交换机的星形结构成为以太网的首选拓扑。

    总线以太网使用 CSMA/CD 协议,以半双工方式工作。

    以太网交换机不使用共享总线,没有碰撞问题,因此不使用 CSMA/CD 协议,而是以全双工方式工作。但仍然采用以太网的帧结构。

    虚拟局域网(Vlan)

    IEEE 802.1Q标准中是这样定义的:虚拟局域网是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组,而这些网段具有某些共同的需求.

    只是给用户提供的一种服务,而并不是一种新型局域网。它以软件方式实现对逻辑工作组的划分与管理。

    一个逻辑工作组的结点可以分布在不同的物理网段上,不受物理位置的限制,但它们之间的通信就像在同一个物理网段上一样。

    利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)。

    在这里插入图片描述

    • 当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时,工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。
    • B1 发送数据时,工作站 A1,A2 和 C1都不会收到 B1 发出的广播信息。

    虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数,使得网络不会因传播过多的广播信息而引起性能恶化。

    虚拟局域网使用的以太网帧格式

    IEEE 批准了 802.3ac 标准,该标准定义了以太网的帧格式的扩展,以支持虚拟局域网。

    虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符,称为VLAN 标记 (tag),用来指明发送该帧的计算机属于哪一个虚拟局域网。

    插入 VLAN 标记得出的帧称为 802.1Q 帧 或 带标记的以太网帧:

    在这里插入图片描述

    4. 高速以太网

    速率达到或超过 100 Mbit/s 的以太网称为高速以太网

    100BASE-T 以太网

    100BASE-T 在双绞线上传送 100 Mbit/s 基带信号的星形拓扑以太网,仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。

    100BASE-T 以太网又称为快速以太网 (Fast Ethernet)。

    1995 年IEEE已把 100BASE-T 的快速以太网定为正式标准,其代号为 IEEE 802.3u。

    100BASE-T 以太网的特点

    可在全双工方式下工作而无冲突发生。在全双工方式下工作时,不使用 CSMA/CD 协议。

    MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。

    保持最短帧长不变,但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。

    帧间时间间隔从原来的 9600ns改为现在的 960ns。

    100 Mbit/s 以太网的三种不同的物理层标准

    • 100BASE-TX
      使用 2 对 UTP 5 类线 或 屏蔽双绞线 STP。
      网段最大程度:100米。
    • 100BASE-T4
      使用 4 对 UTP 3 类线 或 5 类线。
      网段最大程度:100米。
    • 100BASE-FX
      使用 2 对光纤。
      网段最大程度:2000米。

    吉比特以太网

    允许在 1 Gbit/s 下以全双工和半双工两种方式工作。

    使用 IEEE 802.3 协议规定的帧格式。

    在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议,全双工方式不使用 CSMA/CD 协议。

    与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。

    吉比特以太网可用作现有网络的主干网,也可在高带宽(高速率)的应用场合中。

    吉比特以太网的物理层

    使用两种成熟的技术:一种来自现有的以太网,另一种则是美国国家标准协会 ANSI 制定的光纤通道 FC (Fiber Channel)。

    在这里插入图片描述

    吉比特以太网的配置举例

    在这里插入图片描述

    10吉比特以太网 (10GE) 和更快的以太网

    10 吉比特以太网(10GE)并非把吉比特以太网的速率简单地提高到 10 倍,其主要特点有:

    • 与 10 Mbit/s、100 Mbit/s 和 1 Gbit/s 以太网的帧格式完全相同。
    • 保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长,便于升级。
    • 不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。
    • 只工作在全双工方式,因此没有争用问题,也不使用 CSMA/CD 协议。

    10 吉比特以太网的物理层

    在这里插入图片描述

    更快的以太网

    以太网的技术发展得很快,在 10GE 之后又制订了 40GE/100GE(即 40 吉比特以太网和 100 吉比特以太网)的标准 IEEE 802.3ba-2010 和 802.3bm-2015。

    40GE/100GE 只工作在全双工的传输方式(因而不使用 CSMA/CD 协议),并仍保持了以太网的帧格式以及 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长。

    100GE 在使用单模光纤传输时,仍然可以达到 40 km 的传输距离,但这是需要波分复用(使用 4 个波长复用一根光纤,每一个波长的有效传输速率是 25 Gbit/s)。

    40GE/100GE 的物理层

    在这里插入图片描述

    端到端的以太网传输

    以太网的工作范围已经从局域网(校园网、企业网)扩大到城域网和广域网,从而实现了端到端的以太网传输。

    这种工作方式的好处有:

    • 技术成熟;
    • 互操作性很好;
    • 在广域网中使用以太网时价格便宜;
    • 采用统一的以太网帧格式,简化了操作和管理。

    以太网从 10 Mbit/s 到100 Gbit/s 的演进

    以太网从 10 Mbit/s 到 100 Gbit/s 的演进证明了以太网是:

    • 可扩展的(从 10 Mbit/s 到 100 Gbit/s);
    • 灵活的(多种传输媒体、全/半双工、共享/交换);
    • 易于安装;
    • 稳健性好。

    5. 无线局域网

    无线局域网的组成

    无线局域网有两种组网模式:无固定基站的自组网络(Ad-Hoc)模式和有固定基站的基础结构网络(Infrastructure)模式。

    在这里插入图片描述

    有固定基础设施的无线局域网

    在这里插入图片描述

    IEEE 802.11

    对于有固定基础设施的无线局域网,最有名的就是IEEE 802.11无线局域网。

    实际上802.11既支持有固定基础设施的网络,也支持无固定基础设施的网络,但使用最多的是它的有固定基础设施的组网方式。

    凡使用802.11系列协议的局域网又称为Wi-Fi(Wireless Fidelity,即无线保真度)

    与接入点 AP 建立关联(association)

    一个移动站若要加入到一个基本服务集 BSS,就必须先选择一个接入点 AP,并与此接入点建立关联。

    建立关联就表示这个移动站加入了选定的 AP 所属的子网,并和这个 AP 之间创建了一个虚拟线路。

    只有关联的 AP 才向这个移动站发送数据帧,而这个移动站也只有通过关联的 AP 才能向其他站点发送数据帧。

    移动站与 AP 建立关联的方法

    • 被动扫描,即移动站等待接收接入站周期性发出的信标帧(beacon frame)。
      信标帧中包含有若干系统参数(如服务集标识符 SSID 以及支持的速率等)。
    • 主动扫描,即移动站主动发出探测请求帧(probe request frame),然后等待从 AP 发回的探测响应帧(probe response frame)。

    移动自组网络

    自组网络(ad hoc network)是没有固定基础设施(即没有 AP)的无线局域网。这种网络由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。

    802.11的ad hoc模式允许在通信范围内的各站点间直接进行通信,组成一个无中心不与外界网络连接的自组网络,支持站点间的单跳通信,但在标准中并没有包括多跳路由功能。

    在这里插入图片描述

    移动自组网络的应用前景

    在军事领域中,携带了移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信。

    这种组网方式也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群,以及海上的舰艇群、空中的机群。

    当出现自然灾害时,在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的,

    几种常用的 802.11 无线局域网

    在这里插入图片描述

    802.11局域网的MAC帧

    802.11的MAC帧共有三种类型,即控制帧、数据帧和管理帧。

    在这里插入图片描述

    802.11 的 MAC协议

    1. 使用CSMA/CA 协议

    无线链路是无导向信道,故其比特错误比有线链路更加普遍。因为:

    • 递减的信号强度;
    • 外界干扰;
    • 多路径传播;

    无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。这里主要有两个原因:

    • 冲突检测(CD)在无线局域网的设备中要实现这种功能花费过大。
    • 即使我们能够实现碰撞检测的功能,无线链路中还存在隐蔽站问题。

    在这里插入图片描述
    当 A 和 C 检测不到无线信号时,都以为 B 是空闲的,因而都向 B 发送数据,结果发生碰撞。

    这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem)

    CSMA/CA 协议

    无线局域网只能使用改进的 CSMA 协议。办法是把 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。

    802.11 就使用 CSMA/CA 协议。而在使用 CSMA/CA 的同时,还增加使用停止等待协议。

    CSMA/CA 协议的基本原理:当一个终端节点要向另一个终端节点发送数据时,先进行通道的预约。

    CSMA/CA协议只能用于有明确目标地址的帧,不能用于组播报文和光播报文传输。

    冲突避免:交换RTS - CTS

    在这里插入图片描述

    2. 确认与帧间间隔

    所有的站在完成发送后,必须再等待一段很短的时间(继续监听)才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS (InterFrame Space)。

    帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短,因此可优先获得发送权。

    若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体,则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。

    在这里插入图片描述

    帧间间隔

    DIFS

    SIFS,即短(Short)帧间间隔,是最短的帧间间隔,用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。

    使用 SIFS 的帧类型有:ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的数据帧,以及所有回答 AP 探询的帧和在 PCF 方式中接入点 AP 发送出的任何帧。

    PIFS

    PIFS,即点协调功能帧间间隔,它比 SIFS 长,是为了在开始使用 PCF 方式时(在 PCF 方式下使用,没有争用)优先获得接入到媒体中。PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度。

    时隙的长度是这样确定的:在一个基本服务集 BSS 内当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时,那么在下一个时隙开始时,其他站就都能检测出信道已转变为忙态。

    SIFS

    DIFS,即分布协调功能帧间间隔(最长的 IFS),在 DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS 的长度比 PIFS 再增加一个时隙长度。

    CSMA/CA 协议的原理

    欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。

    通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。

    当源站发送它的第一个 MAC 帧时,若检测到信道空闲,则在等待一段时间 DIFS 后就可发送。

    为什么信道空闲还要再等待?这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。如有,就要让高优先级帧先发送。

    假定没有高优先级帧要发送

    源站发送了自己的数据帧。

    目的站若正确收到此帧,则经过时间间隔 SIFS 后,向源站发送确认帧 ACK。

    若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK(由重传计时器控制这段时间),就必须重传此帧,直到收到确认为止,或者经过若干次的重传失败后放弃发送。

    3. 退避算法

    为避免碰撞,如果要发送数据的站发现信道忙在信道恢复空闲时并不是立即发送数据,而是要退避一段随机的时间(大于DIFS)若信道仍然空闲才能发送数据

    若发送方接收到确认要立即发送下一帧时,为公平竞争,也要执行退避
    当发送方没有接收到确认,重传帧时,要将随机选择退避时间的范围扩大一倍。

    退避算法的使用情况

    • 仅在下面的情况下才不使用退避算法:
      检测到信道是空闲的,并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。

    除此以外的所有情况,都必须使用退避算法。即:

    • 在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。
    • 在每一次的重传后。
    • 在每一次的成功发送后。
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空空如也

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局域网的通信硬件主要包括