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计算机网络第二章：作业 2: UDP ping 程序

news 来源：原创 2024/9/20 6:19:16

套接字编程作业 2：UDP Ping 程序

问题描述：

在这个实验中，你将通过Python使用UDP套接字编程，编写一个ping程序。Ping程序是用来测试网络延迟的工具，客户端通过发送请求到服务器，然后计算往返时间（RTT），并处理可能的丢包。作业的主要任务是：

编写一个UDP客户端，向服务器发送10个ping请求。
服务器会根据收到的请求返回响应，但30%的请求会被随机丢弃以模拟丢包。
客户端应处理超时情况，超时阈值为1秒。
每次ping请求后，客户端应输出收到的响应或超时消息，并显示往返时间（RTT）。

你需要实现的客户端程序功能类似于标准的ping命令，但使用的是UDP协议，而不是ICMP协议。

问题解决流程：

理解UDP协议的特点：
- UDP是一种无连接、轻量级但不可靠的传输协议，数据包可能会丢失，不保证数据的到达顺序。
- 在Ping程序中，我们使用UDP，因为其简单且能模拟不可靠的网络通信。
服务器端实现：
- 我们提供了一个服务器端程序UDPPingerServer.py，它接收来自客户端的请求，随机丢弃30%的请求，剩下的请求则返回给客户端。
- 你需要在本地或远程服务器上运行该服务器程序，然后实现客户端程序与其通信。
客户端功能要求：
- 使用UDP向服务器发送10次ping请求，每次请求中包含当前的发送时间。
- 服务器返回响应后，计算该请求的往返时间（RTT）。
- 如果请求超过1秒未收到响应，则显示"Request timed out"。
- 最终输出每次ping的RTT或者超时消息。

步骤 1：服务器代码

服务器代码已经提供，先确保它在本地或远程服务器上运行。

# UDPPingerServer.py 
from socket import * 
import random# 创建一个UDP套接字
serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
# 绑定服务器的IP地址和端口号
serverSocket.bind(('', 12000))while True:# 生成一个随机数，用于模拟丢包rand = random.randint(0, 10)# 接收客户端消息和地址message, address = serverSocket.recvfrom(1024)# 将收到的消息转换为大写message = message.upper()# 如果随机数小于4，模拟丢包，不返回任何消息if rand < 4:continue# 否则，将消息返回给客户端serverSocket.sendto(message, address)

该服务器程序使用UDP协议监听端口12000，并随机丢弃30%的客户端请求。

步骤 2：客户端代码

我们现在需要编写客户端程序，它将向服务器发送10个ping请求，并显示每次请求的结果，包括往返时间或超时。

import time
from socket import *# 创建UDP套接字
clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
# 设置超时时间为1秒
clientSocket.settimeout(1)# 服务器的地址和端口
serverName = 'localhost'  # 本地运行时使用 'localhost'
serverPort = 12000# 发送10次ping请求
for sequence_number in range(1, 11):# 获取当前时间戳sendTime = time.time()# 构造ping消息message = f'Ping {sequence_number} {sendTime}'try:# 向服务器发送消息clientSocket.sendto(message.encode(), (serverName, serverPort))# 等待服务器响应，超时1秒response, serverAddress = clientSocket.recvfrom(1024)# 计算RTTrtt = time.time() - sendTime# 打印服务器返回的消息和RTTprint(f'Received from server: {response.decode()} RTT = {rtt:.4f} seconds')except timeout:# 超时处理print('Request timed out')# 关闭套接字
clientSocket.close()

代码解析：

创建UDP套接字：clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM) 使用UDP协议，适合无连接的通信。
设置超时：clientSocket.settimeout(1) 设置接收数据包的超时时间为1秒，如果在1秒内未收到响应，则抛出timeout异常。
发送ping消息：clientSocket.sendto(message.encode(), (serverName, serverPort)) 向服务器发送包含序列号和时间戳的ping消息。
接收服务器响应：clientSocket.recvfrom(1024) 接收服务器返回的消息，并计算消息的往返时间（RTT）。
超时处理：如果未收到响应，客户端会输出“Request timed out”。

步骤 3：运行程序

1. 运行服务器：

在本地或远程服务器上运行提供的服务器代码：

python UDPPingerServer.py

2. 运行客户端：

在另一个终端窗口中运行客户端代码：

python UDPPingerClient.py

你会看到客户端向服务器发送10次ping请求的输出，类似于以下结果：

Received from server: PING 1 1663261625.64255 RTT = 0.0021 seconds
Received from server: PING 2 1663261626.64305 RTT = 0.0020 seconds
Request timed out
Received from server: PING 4 1663261628.64400 RTT = 0.0021 seconds
...

如果服务器丢弃了请求，客户端会显示Request timed out。
如果服务器返回了响应，客户端会显示往返时间（RTT）。

可选练习1

客户端程序需要在发送10次Ping请求后计算最小、最大和平均RTT，同时计算丢包率。我们可以通过保存每次Ping的RTT值，最后计算这些统计数据。具体步骤如下：

实现步骤

存储每次Ping的RTT：为RTT创建一个列表，每次接收到响应时，将RTT添加到该列表中。
统计丢包情况：为超时次数创建一个计数器，每次超时时递增。
计算最小、最大和平均RTT：在发送完所有Ping请求后，通过列表计算最小值、最大值和平均值。
计算丢包率：丢包率 = （丢失的包数 / 总包数）× 100%。

修改后的代码

import time
from socket import *# 创建UDP套接字
clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
# 设置超时时间为1秒
clientSocket.settimeout(1)# 服务器的地址和端口
serverName = 'localhost'  # 本地运行时使用 'localhost'
serverPort = 12000# 初始化变量
rtt_list = []  # 存储每次成功Ping的RTT
timeout_count = 0  # 记录超时的次数
total_pings = 10  # 发送的Ping总次数# 发送10次ping请求
for sequence_number in range(1, total_pings + 1):# 获取当前时间戳sendTime = time.time()# 构造ping消息message = f'Ping {sequence_number} {sendTime}'try:# 向服务器发送消息clientSocket.sendto(message.encode(), (serverName, serverPort))# 等待服务器响应，超时1秒response, serverAddress = clientSocket.recvfrom(1024)# 计算RTTrtt = time.time() - sendTimertt_list.append(rtt)  # 将RTT加入列表# 打印服务器返回的消息和RTTprint(f'Received from server: {response.decode()} RTT = {rtt:.4f} seconds')except timeout:# 超时处理，计数器增加print('Request timed out')timeout_count += 1# 关闭套接字
clientSocket.close()# 如果有成功的Ping，则计算最小、最大和平均RTT
if rtt_list:min_rtt = min(rtt_list)max_rtt = max(rtt_list)avg_rtt = sum(rtt_list) / len(rtt_list)print(f'\n--- Ping statistics ---')print(f'{total_pings} packets transmitted, {len(rtt_list)} packets received, 'f'{timeout_count / total_pings * 100:.1f}% packet loss')print(f'rtt min/avg/max = {min_rtt:.4f}/{avg_rtt:.4f}/{max_rtt:.4f} seconds')else:print(f'\n--- Ping statistics ---')print(f'{total_pings} packets transmitted, 0 packets received, 100.0% packet loss')

代码解析

rtt_list：这是一个列表，用于存储每次成功的RTT值。当接收到响应时，将RTT值添加到该列表中。
timeout_count：这是一个计数器，用于记录超时（丢包）的次数。每当请求超时时，计数器会加1。
RTT计算：程序结束后，检查rtt_list是否为空。如果有接收到的Ping响应，则计算最小、最大和平均RTT，并打印出来。
丢包率计算：丢包率通过timeout_count / total_pings * 100计算，表示为百分比形式。

输出示例

假设服务器响应如下：

Received from server: PING 1 1663261625.64255 RTT = 0.0021 seconds
Request timed out
Received from server: PING 3 1663261626.64305 RTT = 0.0020 seconds
Request timed out
Received from server: PING 5 1663261627.64400 RTT = 0.0021 seconds
...--- Ping statistics ---
10 packets transmitted, 6 packets received, 40.0% packet loss
rtt min/avg/max = 0.0020/0.0021/0.0022 seconds

通过这些修改，客户端程序在完成所有Ping操作后，会输出最小、最大和平均RTT，并计算出丢包率。这种行为模拟了标准ping命令的功能，提供了更加详细的网络通信统计信息。