基于Socket的计算机网络实验

编者在从事计算机网络教学近20年的教学过程中，感觉到计算机网络实验是一门非常有价值的专业基础课，有很好的综合性，融合了数据结构、操作系统、计算机系统结构、通信技术等相关课程的很多内容和思想。学好这门课，可以让读者了解网络技术中涉及的诸多问题，学会许多思想、算法和技术。这些问题、思想、算法和技术可以推广到很多相关领域，例如软件工程。
但是，想要学好这门课并不太容易，能够在学好这门课的基础上进行升华、提炼和扩展更加不容易，需要一定的努力和深入理解。这对于大学生来说确实要求比较高。
编者在讲授这门课的时候，特别希望使学生体会到计算机网络技术的一些精髓思想，例如体系结构的思想、分布式计算的思想等。同时，编者也特别希望能够通过这门课帮助学生形成开发软件系统、特别是大型分布式软件系统的能力。南京航空航天大学给了编者宽松的工作环境和良好的工作条件。编者从前人接手这门课的时候，这门课就已经有了利用编程进行计算机网络实验的实践环节。这些是编者编写本书的出发点和基础。
另外，编者对于当前国内一些高校的计算机网络实验课有一些看法。很多高校为了开设计算机网络实验课，采购了昂贵的设备，然而在教学中却只是让学生操作一番，记住几条命令。这固然有助于技能的掌握，但是对于学生能力的提升显然是不够的。
编者对于本校的计算机网络课程体系则感到较为满意： 以计算机网络理论课程为主，以使学生掌握相关理论、思想和技术；以开发软件系统模拟计算机网络技术为辅，以提升学生开发软件的能力，加深学生对网络技术的理解；以网络设备操作为选修内容，以满足学生接触网络设备、增强操作技能的要求。这样的课程体系可以很好地保障学生的学习深度，多方面提升学生的能力，充分挖掘学生的潜力。
当前国家在高等教育领域以新工科建设为重要抓手，强调高等院校应持续深化工程教育改革，加快培养能够适应和引领新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才，为国家打造世界工程创新中心和人才高地、提升国家硬实力和国际竞争力打下良好的基础。在这样的背景下，如何加强学生的工程化能力是高等院校在国家教育战略转移的情况下面临的一个重要问题，各门专业课程都应该面向新工科建设的要求进行教学改革，这也对高等院校的教师提出了新的要求。
如果能够具有课堂理论教学、网络软件开发实践、网络设备操作这一整套课程体系，就能够完成从理论到理论与实践相结合再到纯实践这样一个认知过程，可以满足多种技能目标的教育培训要求。这种课程体系能够满足工程化能力培养的要求，也是各个学科专业向工程化目标发展的趋势。
另外，计算机网络实验课程其实与软件开发过程的一些思想非常贴近，同样包括分层、模块化设计的核心思想和体系的概念，对学生学会把复杂问题工程化具有非常好的指导意义。如果把这种思想和软件工程技术相结合，无疑是一种诱人的想法，可以极大地提升该课程与新工科建设要求的契合度。为此，应该在传统计算机网络实验课程内容的基础上，通过引入软件工程相关技术和工具，加强学生工程化能力培训。
以上种种思考触发了编者的以下构想： 丰富、完善、指导这类以软件开发模拟具体计算机网络技术的教学实践活动，加深学生对计算机网络技术的理解，提升学生的软件开发能力，并且通过这个过程加强对学生的工程化教育，提高学生的工程化思维水平。
本书中设置的计算机网络实验项目符合分布式系统的特点，具有分布性、自治性、并行性、全局性，因此属于分布式系统的范畴，只不过其目的不在于给用户使用，而是为了加强学生对计算机网络技术的理解和对分布式系统的认识，了解分布式系统开发涉及的问题和技术，培养学生以工程化思维开发分布式系统的能力。这些都是通往开发自由境界的一个起点。
万丈高楼也需要一砖一瓦地建设。希望本书能够成为培养学生工程化能力的一块砖、一片瓦。
本书具有以下特点：
(1) 在介绍计算机网络技术的基础上，开展基于Socket编程的计算机网络课程设计，内容涉及多种场景、多种应用。
(2) 引入软件工程的思想和工具。
(3) 对每一个实验进行开题、立意、破题的引导，包括： 介绍相关技术内容，分析相关技术的功能需求，建立实验的体系结构，给出主要功能的流程图，等等。
(4) 介绍了一些当前流行的新技术，如云计算、物联网等，并设计了相关的实验。
本书希望达到以下目标： 新工科，新思维；面对挑战，加强训练；工程能力在手，天下任我走。
本书的出版得到了清华大学出版社的大力支持，并得到了许多专家学者的指导，编者在此致以衷心感谢。
限于编者的能力，加之时间仓促，本书中难免存在不妥之处，恳请读者指正。

编者2023年1月于南京航空航天大学

本书介绍计算机网络相关技术实验。全书共6部分。第1部分为第1～3章，介绍网络实验基础知识，包括基于Socket的编程、相关技术和UML。第2部分为第4～9章，给出6个网络基础技术模拟实验。第3部分为第10～14章，给出5个IP及TCP相关技术模拟实验。第4部分为第15、16章，给出两个应用层相关技术模拟实验。第5部分为第17、18章，介绍当前流行的云计算技术并给出相关模拟实验。第6部分为第19、20章，介绍当前流行的物联网技术并给出相关模拟实验。 本书对每个实验都进行从分析、设计到实现的引导，使读者深入体会、理解目前主要的计算机网络技术的工作原理，掌握其思想精髓，同时了解和掌握软件工程开发过程，为开发大型软件项目打下良好的基础。 本书可作为高等院校计算机及其相关专业的本科生计算机网络实验课程的教材，也可供从事计算机网络开发、维护、管理工作的专业人员参考。

本书介绍计算机网络相关技术实验。全书共6部分。第1部分为第1～3章，介绍网络实验基础知识，包括基于Socket的编程、相关技术和UML。第2部分为第4～9章，给出6个网络基础技术模拟实验。第3部分为第10～14章，给出5个IP及TCP相关技术模拟实验。第4部分为第15、16章，给出两个应用层相关技术模拟实验。第5部分为第17、18章，介绍当前流行的云计算技术并给出相关模拟实验。第6部分为第19、20章，介绍当前流行的物联网技术并给出相关模拟实验。 本书对每个实验都进行从分析、设计到实现的引导，使读者深入体会、理解目前主要的计算机网络技术的工作原理，掌握其思想精髓，同时了解和掌握软件工程开发过程，为开发大型软件项目打下良好的基础。 本书可作为高等院校计算机及其相关专业的本科生计算机网络实验课程的教材，也可供从事计算机网络开发、维护、管理工作的专业人员参考。

第1部分网络实验基础
第1章基于Socket的编程31.1Socket概述3
1.1.1Socket的引入3
1.1.2Socket的类型4
1.1.3基于Socket技术的编程模式5
1.1.4端口号5
1.1.5Socket与IP地址、端口号的关系6
1.2基于Socket的通信编程简介7
1.2.1Socket的工作流程7
1.2.2基于Java的Socket编程8
1.3Socket编程时的注意事项10
1.3.1编码问题10
1.3.2网络字节序11
1.3.3串行化/反串行化12
1.3.4关于报文格式的建议13
第2章相关技术和说明15
2.1线程15
2.1.1线程概述15
2.1.2基于Java的多线程架构16
2.1.3系统调度17
2.1.4线程的状态19
2.1.5通过多线程进行数据的接收19
2.2同步和互斥及其应用22
2.2.1同步和互斥22基于Socket的计算机网络实验目录2.2.2逻辑错误23
2.2.3死锁25
2.3关于P2P模式26
2.4其他说明26
2.4.1关于线程访问界面控件的问题26
2.4.2关于鲁棒性27
2.4.3关于用例标识27
2.4.4关于端口28
2.4.5关于实验中涉及的实体28
2.4.6关于本书的出发点28
第3章UML简介30
3.1UML概述30
3.2用例图31
3.2.1用例图概述31
3.2.2用例图中描述的关系32
3.3时序图33
3.4类图34
3.5活动图36
3.6部署图38
第2部分网络基础技术模拟实验
第4章3种交换方式的模拟实验414.1概述41
4.2实验描述42
4.3实验分析和设计44
4.3.1用例分析44
4.3.2时序图47
4.3.3部署图48
4.3.4系统体系结构设计48
4.3.5报文格式设计49
4.3.6类图50
4.4实验实现52
4.4.1发送端处理流程52
4.4.2交换机处理流程52
4.4.3接收端处理流程54
4.4.4界面样例56
第5章信道复用技术模拟实验57
5.1概述57
5.2实验描述60
5.3实验分析和设计62
5.3.1用例分析62
5.3.2时序图65
5.3.3部署图66
5.3.4系统体系结构设计66
5.3.5报文格式设计67
5.3.6类图68
5.4实验实现70
5.4.1发送端处理流程70
5.4.2信道处理流程71
5.4.3接收端处理流程72
5.4.4界面样例75
第6章以太网CSMA/CD协议模拟实验77
6.1概述77
6.2实验描述78
6.3实验分析和设计80
6.3.1用例分析80
6.3.2总线状态图82
6.3.3时序图82
6.3.4部署图83
6.3.5系统体系结构设计84
6.3.6报文格式设计84
6.3.7类图86
6.4实验实现88
6.4.1主机进程流程88
6.4.2总线进程流程89
6.4.3界面样例90
第7章交换机工作模拟实验93
7.1概述93
7.2实验描述94
7.3实验分析和设计96
7.3.1用例分析96
7.3.2时序图99
7.3.3部署图100
7.3.4系统体系结构设计100
7.3.5报文格式设计101
7.3.6类图102
7.4实验实现104
7.4.1主机处理流程104
7.4.2交换机处理流程104
7.4.3界面样例105
第8章隐蔽站和暴露站问题模拟实验108
8.1概述108
8.2实验描述110
8.3实验分析和设计112
8.3.1用例分析112
8.3.2状态图114
8.3.3时序图114
8.3.4部署图115
8.3.5系统体系结构设计116
8.3.6报文格式设计116
8.3.7类图118
8.4实验实现119
8.4.1发送数据帧流程119
8.4.2扫描发送状态列表线程类的工作流程120
8.4.3接收信息流程122
8.4.4界面样例126
第9章CSMA/CA协议模拟实验127
9.1概述127
9.1.1IEEE 802.11及其构成127
9.1.2CSMA/CD协议概述128
9.1.3退避时间129
9.1.4CSMA/CA协议的算法130
9.2实验描述131
9.3实验分析和设计133
9.3.1用例分析133
9.3.2时序图136
9.3.3部署图136
9.3.4系统体系结构设计136
9.3.5报文格式设计138
9.3.6类图139
9.4实验实现141
9.4.1移动节点处理流程141
9.4.2AP接收线程处理流程143
9.4.3界面样例144
第3部分IP及TCP相关技术模拟实验
第10章路由器工作原理模拟实验14910.1概述149
10.1.1路由器的作用149
10.1.2路由器的构造150
10.1.3路由器和以太网交换机的不同151
10.2实验描述152
10.3实验分析和设计154
10.3.1用例分析154
10.3.2时序图157
10.3.3部署图157
10.3.4系统体系结构设计157
10.3.5报文格式设计159
10.3.6类图161
10.4实验实现162
10.4.1网络进程处理流程163
10.4.2路由器进程相关处理流程163
10.4.3界面样例166
第11章ARP模拟实验168
11.1概述168
11.1.1为什么需要ARP168
11.1.2ARP的工作过程169
11.1.3ARP的典型工作情况170
11.2实验描述171
11.3实验分析和设计173
11.3.1用例分析173
11.3.2主机状态图177
11.3.3时序图177
11.3.4部署图178
11.3.5系统体系结构设计179
11.3.6报文格式设计180
11.3.7类图182
11.4实验实现185
11.4.1主机进程处理流程185
11.4.2交换机进程信息接收处理流程187
11.4.3路由器进程信息接收处理流程188
11.4.4界面样例188
第12章OSPF路由算法模拟实验192
12.1概述192
12.1.1路由算法概述192
12.1.2OSPF概述193
12.1.3OSPF算法的工作过程193
12.2实验描述195
12.3实验分析和设计196
12.3.1用例分析196
12.3.2时序图198
12.3.3部署图199
12.3.4系统体系结构设计199
12.3.5报文格式设计200
12.3.6类图201
12.4实验实现203
12.4.1洪泛法发送信息流程203
12.4.2计算短路径算法流程204
12.4.3界面样例206
第13章NAT技术模拟实验207
13.1概述207
13.1.1为什么需要NAT技术207
13.1.2NAT技术概述207
13.1.3NAT的分类209
13.1.4NAPT的工作原理210
13.1.5NAT的缺点211
13.2实验描述212
13.3实验分析和设计214
13.3.1用例分析214
13.3.2时序图219
13.3.3部署图220
13.3.4系统体系结构设计221
13.3.5报文格式设计222
13.3.6类图223
13.4实验实现226
13.4.1客户端进程处理流程226
13.4.2交换机进程信息接收线程处理流程227
13.4.3NAT网关信息接收线程处理流程227
13.4.4服务器进程信息接收线程处理流程230
13.4.5界面样例231
第14章滑动窗口技术模拟实验233
14.1概述233
14.1.1可靠传输概述233
14.1.2TCP滑动窗口234
14.2实验描述236
14.3实验分析和设计238
14.3.1相关说明238
14.3.2用例分析239
14.3.3时序图242
14.3.4部署图243
14.3.5系统体系结构设计243
14.3.6报文格式设计244
14.3.7类图245
14.4实验实现247
14.4.1发送端进程处理流程247
14.4.2报文段接收线程处理流程250
14.4.3界面样例252
第4部分应用层相关技术模拟实验
第15章DNS模拟实验25715.1概述257
15.1.1DNS的作用257
15.1.2域名257
15.1.3DNS查询过程258
15.2实验描述260
15.3实验分析和设计262
15.3.1用例分析262
15.3.2时序图265
15.3.3部署图266
15.3.4系统体系结构设计266
15.3.5报文格式设计268
15.3.6类图269
15.4实验实现272
15.4.1客户端进程处理流程272
15.4.2本地域名服务器进程处理流程273
15.4.3其他域名服务器进程处理流程274
15.4.4界面样例276
第16章实现电子邮件客户端模拟实验279
16.1概述279
16.1.1邮件系统概述279
16.1.2SMTP的基本工作过程280
16.1.3SMTP的不足和扩展281
16.2实验描述281
16.3实验分析和设计282
16.3.1用例分析282
16.3.2时序图284
16.3.3部署图285
16.3.4系统体系结构设计285
16.3.5报文格式设计286
16.3.6类图288
16.4实验实现289
16.4.1发送邮件处理流程289
16.4.2客户端收取邮件流程290
16.4.3界面样例293
第5部分云计算技术及模拟实验
第17章云计算技术29717.1概述297
17.1.1云计算的概念297
17.1.2虚拟化技术的引入298
17.1.3云计算的特点299
17.1.4云计算的隐患300
17.1.5服务类型300
17.2虚拟化技术302
17.2.1概念302
17.2.2特性303
17.2.3虚拟机快速部署技术304
17.2.4在线迁移305
17.3Hadoop概述305
17.4资源管理系统306
17.4.1基本架构307
17.4.2工作流程308
17.5分布式文件系统309
17.5.1HDFS架构309
17.5.2读文件的流程311
17.5.3写文件的流程312
17.6MapReduce313
第18章云计算技术模拟实验315
18.1实验描述315
18.2实验分析和设计317
18.2.1用例分析317
18.2.2时序图321
18.2.3部署图322
18.2.4系统体系结构设计322
18.2.5报文格式设计324
18.2.6类图326
18.3实验实现329
18.3.1客户端进程处理流程329
18.3.2资源管理器进程处理流程329
18.3.3节点管理器进程处理流程332
18.3.4界面样例333第6部分物联网技术及模拟实验
第19章物联网及其通信33719.1概念337
19.2USN体系结构339
19.3物联网模型探讨340
19.4传感器网络342
19.4.1传感器网络简介342
19.4.2无线传感器节点344
19.5无线传感器网络路由技术345
19.5.1概述345
19.5.2LEACH协议346
19.6数据分析处理相关技术350
19.6.1数据融合技术350
19.6.2数据清洗技术352
第20章物联网通信模拟实验355
20.1实验描述355
20.2实验分析和设计357
20.2.1用例分析357
20.2.2时序图361
20.2.3部署图361
20.2.4系统体系结构设计362
20.2.5报文格式设计364
20.2.6类图366
20.2.7数据表格设计369
20.3实验实现369
20.3.1无线传感器节点进程处理流程369
20.3.2汇聚节点进程处理流程372
20.3.3数据服务器进程处理流程372
20.3.4界面样例374

本书介绍计算机网络相关技术实验。全书共6部分。第1部分为第1～3章，介绍网络实验基础知识，包括基于Socket的编程、相关技术和UML。第2部分为第4～9章，给出6个网络基础技术模拟实验。第3部分为第10～14章，给出5个IP及TCP相关技术模拟实验。第4部分为第15、16章，给出两个应用层相关技术模拟实验。第5部分为第17、18章，介绍当前流行的云计算技术并给出相关模拟实验。第6部分为第19、20章，介绍当前流行的物联网技术并给出相关模拟实验。 本书对每个实验都进行从分析、设计到实现的引导，使读者深入体会、理解目前主要的计算机网络技术的工作原理，掌握其思想精髓，同时了解和掌握软件工程开发过程，为开发大型软件项目打下良好的基础。 本书可作为高等院校计算机及其相关专业的本科生计算机网络实验课程的教材，也可供从事计算机网络开发、维护、管理工作的专业人员参考。

1.在学习计算机网络的基础上，开展基于Socket的计算机网络课程设计，内容涉及了多种场景、多种应用。 
2.引入软件工程的思想和工具。 
3.对每个实验进行开题、立意、破题的引导，包括介绍相关技术内容、分析相关技术的功能需求、建立该实验的体系结构、给出主要功能的流程图等。 
4.介绍了当前较新的一些技术，并设计了相关的实验，包括云计算、物联网等。