黃 翩，張 瓊，祝 婷

(西安電子科技大學(xué)電子信息攻防對(duì)抗與仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710071)

目前大多數(shù)智能設(shè)備和儀表均采用RS232/485的通信方式，不具備遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸能力，而如何利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信則是問(wèn)題的關(guān)鍵。近年來(lái)，以TCP/IP為基礎(chǔ)的面向數(shù)據(jù)流和連接的可靠傳輸協(xié)議得到迅猛發(fā)展，但傳統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)方法是利用Socket套接字來(lái)編寫(xiě)程序，因?yàn)槠涮捉幼直容^復(fù)雜，包含了許多的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)，難以掌握和使用。而Qt把網(wǎng)絡(luò)編程有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)封裝成類(lèi)，在較大程度上模塊化，于是軟件開(kāi)發(fā)的程序變得簡(jiǎn)潔、高效，可重用性較好，用戶(hù)開(kāi)發(fā)非常方便。

1 TCP通信原理

傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol，TCP)是一個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡蛯泳W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，多個(gè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議都是基于TCP協(xié)議的。TCP是一個(gè)面向數(shù)據(jù)流和連接的可靠傳輸協(xié)議［1］，對(duì)于應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)是一個(gè)較長(zhǎng)的流，因此在TCP上建立的高層協(xié)議通常是面向塊(Block－oriented)或面向行的(Line－oriented)。面向塊的協(xié)議把數(shù)據(jù)作為二進(jìn)制塊傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)塊由一個(gè)大小字段和包含的數(shù)據(jù)組成。面向行的協(xié)議把數(shù)據(jù)作為一個(gè)文本文件的行來(lái)傳輸，每一個(gè)數(shù)據(jù)行都以一個(gè)換行符結(jié)束。

1.1 TCP/IP協(xié)議

在TCP/IP協(xié)議中，TCP協(xié)議提供可靠的連接服務(wù)，采用3次握手建立一個(gè)連接［2］:

第一次握手:建立連接時(shí)，客戶(hù)端發(fā)送 SYN包(SYN=j)到服務(wù)器，并進(jìn)入SYN_SEND狀態(tài)，等待服務(wù)器確認(rèn);

第二次握手:服務(wù)器收到SYN包，必須確認(rèn)客戶(hù)的SYN(ACK=j+1)，同時(shí)自己也發(fā)送一個(gè)SYN包(SYN=k)，即SYN+ACK包，此時(shí)服務(wù)器進(jìn)入SYN_RECV狀態(tài);

第三次握手:客戶(hù)端收到服務(wù)器的SYN+ACK包，向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)包ACK(ACK=k+1)，此包發(fā)送完畢，客戶(hù)端和服務(wù)器進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，完成3次握手。

完成3次握手，客戶(hù)端和服務(wù)器開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。

1.2 TCP Socket通信工作原理

TCP Socket的通信工作原理［6］如圖1所示。

圖1 TCPSocket通信原理圖

客戶(hù)端首先通過(guò)調(diào)用Socket()函數(shù)創(chuàng)建TCP套接口，指定服務(wù)器IP地址和端口，然后調(diào)用connect()函數(shù)與服務(wù)器取得連接，接著進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，讀入并輸出客戶(hù)端的應(yīng)答，最后關(guān)閉程序。

服務(wù)器端也是通過(guò)調(diào)用Socket()函數(shù)來(lái)創(chuàng)建TCP套接口，用bind函數(shù)將Socket與主機(jī)信息進(jìn)行綁定，然后通過(guò)listen()函數(shù)監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端的連接，accept()接受客戶(hù)端的連接后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，讀入并輸出服務(wù)器的應(yīng)答，最后終止程序。

2 Qt中與TCP有關(guān)的類(lèi)

Qt中與 TCP有關(guān)的類(lèi)主要有 QTCPServer類(lèi)、QTCPSocket類(lèi)和QHostAddress類(lèi)，由于QTCPSocket類(lèi)繼承自 QIODevice。所以，其可從 QDataStream或QTextStream中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，而且從文件讀數(shù)據(jù)和從網(wǎng)絡(luò)上讀數(shù)據(jù)有一個(gè)明顯的不同:必須保證用操作符“?”讀取數(shù)據(jù)時(shí)，已從另一方接收了足夠的數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有做到這點(diǎn)，那么則會(huì)有一個(gè)失敗的結(jié)果:行為未定義。此外，QTCPServer類(lèi)和QTCPSocket類(lèi)需要事件機(jī)制支持，故要在程序中開(kāi)啟事件循環(huán)或調(diào)用相應(yīng)的事件響應(yīng)函數(shù)。

2.1 關(guān)于QTCPSocket類(lèi)

QTCPSocket類(lèi)為T(mén)CP提供了一個(gè)接口，繼承自QAbstractSocket。可以使用QTCPSocket來(lái)實(shí)現(xiàn)POP3、SMTP和NNTP等標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，也可實(shí)現(xiàn)自定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。QTCPSocket傳輸?shù)氖沁B續(xù)的數(shù)據(jù)流，尤其適合連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸［1］。

在數(shù)據(jù)傳輸前，必須建立一個(gè)TCP連接到遠(yuǎn)程的主機(jī)和端口，可以使用connectToHost()函數(shù)與服務(wù)器進(jìn)行連接，該函數(shù)有兩種重載形式，一種使用字符串來(lái)表示主機(jī)地址的參數(shù)類(lèi)型，一種是用QHostAddress類(lèi)。一旦建立連接，將返回一個(gè)connected()信號(hào)，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，將返回 error(QAbstractSocket::SocketError socketError)信號(hào)，socketError參數(shù)描述錯(cuò)誤的類(lèi)型。

連接成功后便可根據(jù)需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)?？墒褂脀rite()寫(xiě)入數(shù)據(jù)，使用read()讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)QTCPSocket收到新的數(shù)據(jù)時(shí)，readyRead()信號(hào)就會(huì)被發(fā)送。將該信號(hào)與處理該信號(hào)的槽函數(shù)相連，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。但是該信號(hào)被發(fā)送時(shí)，并不代表數(shù)據(jù)已經(jīng)被完整接收，接收到的可能是一包不完整的數(shù)據(jù)、一包完整的數(shù)據(jù)或若干包完整的數(shù)據(jù)和一包不完整的數(shù)據(jù)、若干包完整的數(shù)據(jù)等多種情況，所以在處理數(shù)據(jù)時(shí)要考慮所有的情況，以免錯(cuò)誤地去解析數(shù)據(jù)［1］。從一個(gè)QTCPSocket中讀取數(shù)據(jù)前，必須先調(diào)用bytesAvailable()函數(shù)來(lái)確保已有足夠數(shù)據(jù)可用。

最后可使用disconnectFromHost()函數(shù)來(lái)斷開(kāi)與服務(wù)器的連接。使用QTCPSocket類(lèi)實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端的流程如圖2所示。

圖2 QTCPSocket類(lèi)實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端流程

服務(wù)器端也需要 QTCPSocket才能與客戶(hù)端的QTCPSocket建立一個(gè)TCP連接。不同之處在于服務(wù)器端QTCPSocket的創(chuàng)建是在服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)到連接請(qǐng)求時(shí)進(jìn)行的。

2.2 關(guān)于QTCPServer類(lèi)

QTCPServer類(lèi)可用來(lái)處理到來(lái)的TCP連接，值得注意的是，該類(lèi)直接繼承于 QObject基類(lèi)，而不是QAbstractSocket抽象套接字類(lèi)。其調(diào)用listen()設(shè)置服務(wù)器，監(jiān)聽(tīng)某一地址和端口，然后關(guān)聯(lián)newConnection()信號(hào)，當(dāng)收到客戶(hù)端連接請(qǐng)求時(shí)就發(fā)射該信號(hào)。在槽中，調(diào)用nextPendingConnection()來(lái)接受這個(gè)連接，然后創(chuàng)建一個(gè)QTCPSocket對(duì)象與客戶(hù)端進(jìn)行通信。

3 基于Qt的TCP通信的算法實(shí)現(xiàn)

以雷達(dá)信號(hào)環(huán)境模擬器的上位機(jī)與下位機(jī)的TCP通信為例，上位機(jī)相當(dāng)于服務(wù)器，下位機(jī)則是客戶(hù)端。雷達(dá)信號(hào)環(huán)境模擬器有5個(gè)不同頻段的雷達(dá)，相當(dāng)于5個(gè)不同的客戶(hù)端，服務(wù)器端監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端的接連，當(dāng)客戶(hù)端連接上服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器首先給客戶(hù)端發(fā)送一個(gè)詢(xún)問(wèn)幀，客戶(hù)端回答應(yīng)答幀;接著服務(wù)器發(fā)送自檢命令，客戶(hù)端響應(yīng)自檢命令，回送自檢結(jié)果;最后服務(wù)器發(fā)送雷達(dá)參數(shù)幀。

3.1 實(shí)現(xiàn)的功能

(1)開(kāi)啟服務(wù)器，支持多客戶(hù)端接入，能夠?qū)崟r(shí)顯示每個(gè)客戶(hù)端接入狀態(tài)。

(2)等待所有客戶(hù)端都處于連接狀態(tài)時(shí)，向各個(gè)客戶(hù)端發(fā)送數(shù)據(jù)。

(3)發(fā)送完成后等待客戶(hù)端回復(fù)，顯示回復(fù)結(jié)果。

(4)通信完成，關(guān)閉服務(wù)器。

3.2 支持多客戶(hù)端的服務(wù)器的主要算法實(shí)現(xiàn)

(1)新建服務(wù)器類(lèi)TCPServer和TCPSocket類(lèi)，分別繼承自QTCPServer和QTCPSocket。新建服務(wù)器類(lèi)TCPServer用于接收客戶(hù)端的TCP請(qǐng)求，存儲(chǔ)所有客戶(hù)端信息，并向主窗口發(fā)送信息。在這個(gè)類(lèi)中最關(guān)鍵的是實(shí)例化QTCPServer中的虛函數(shù):void incomingConnection(int socketDescriptor)，重寫(xiě)這個(gè)虛函數(shù)，有TCP請(qǐng)求時(shí)會(huì)觸發(fā)，參數(shù)為描述socket ID的int變量，此函數(shù)在QTCPServer檢測(cè)到外來(lái) TCP請(qǐng)求時(shí)，會(huì)自動(dòng)調(diào)用［3－4］。

新建TCPSocket類(lèi)，控制發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，向TCPS-erver發(fā)送相關(guān)信號(hào)。在TCPServer類(lèi)的incomingConnection(int socketDescriptor)函數(shù)中，通過(guò)設(shè)置Socket-Descriptor，初始化一個(gè) TCPSocket實(shí)例［4］，具體實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

圖3 incomingConnection()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

上述newConnection()信號(hào)是接收到局域網(wǎng)內(nèi)的TCP請(qǐng)求后，連接此信號(hào)到自定義的槽函數(shù)connect(TCPServer，SIGNAL(newConnection())，this，SLOT(acceptConnection()));但這只針對(duì)一個(gè)客戶(hù)端的情況，無(wú)法處理多客戶(hù)端。

TCPSocket類(lèi)，連接有 readyRead()信號(hào)，ready-Read()信號(hào)為新連接中有可讀數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)出:connect(this，SIGNAL(readyRead())，this，SLOT(emitready-Read()));

在emitreadyRead()的槽函數(shù)中發(fā)出一個(gè)讀信號(hào)給TCPServer:

void TCPSocket::emitreadyRead()

{

emit readyReadSocket((QTCPSocket*)this);

}

(2)接收/發(fā)送數(shù)據(jù)的算法實(shí)現(xiàn)。連接建立好后便可進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。在TCPServer中將TCPSocket發(fā)送的readyReadSocket((QTCPSocket*)this)信號(hào)連接給槽函數(shù)readMessage(QTCPSocket*)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，算法實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

圖4 readMessage()的實(shí)現(xiàn)算法

通過(guò)點(diǎn)擊界面上的發(fā)送數(shù)據(jù)按鈕觸發(fā)槽函數(shù)sendMessage(char*)發(fā)送數(shù)據(jù)，算法實(shí)現(xiàn)如圖 5所示。

圖5 sendMessage()的實(shí)現(xiàn)算法

綜上所述，完成此服務(wù)器的搭建，建立了Server類(lèi)、TCPServer類(lèi)和 TCPSocket類(lèi)。Server類(lèi)繼承自QWidget，主要完成界面上的功能，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互;TCPServer類(lèi)主要完成接收客戶(hù)端的連接請(qǐng)求，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送;TCPSocket類(lèi)主要完成套接字的創(chuàng)建。這3類(lèi)之間有些信號(hào)是相互關(guān)聯(lián)的，所以這3類(lèi)層層相扣，缺一不可。完整工程如圖6所示。

圖6 建立完整的工程

4 結(jié)束語(yǔ)

Qt對(duì)Socket的封裝，方便了開(kāi)發(fā)人員，且Qt還提供了一種signals/slots的信號(hào)槽機(jī)制，用這種安全類(lèi)型來(lái)替代callback(回調(diào))，這使各元件之間的協(xié)同工作變得簡(jiǎn)單。同時(shí)Qt是源代碼級(jí)的跨平臺(tái)，一次編寫(xiě)，隨處編譯，一次開(kāi)發(fā)的Qt應(yīng)用程序可以移植到不同平臺(tái)上，只需重新編譯即可運(yùn)行［5］。這樣也減少了開(kāi)發(fā)者在開(kāi)發(fā)不同平臺(tái)下應(yīng)用程序的工作量?；赒t的這些優(yōu)點(diǎn)，可預(yù)見(jiàn)Qt將被更多開(kāi)發(fā)人員推崇，其應(yīng)用將不斷擴(kuò)展。

［1］霍亞飛.QtCreator快速入門(mén)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

［2］LAURA A.Chappell，Ed Tittel.TCP/IP 協(xié)議原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［3］Nokia公司.Qt參考文檔［EB/OL］.(2011－11－13)［2014 －04 －11］http://doc.trolltech.com/5.0/index.html

［4］Jasmin Blanchette，Mark Summerfield.C++GUI Qt4 編程［M］.2 版.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［5］蔡志明，盧傳富，李立夏.精通Qt4編程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［6］趙偉.基于Socket的消息隊(duì)列中間件的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.呼和浩特:內(nèi)蒙古大學(xué)，2007.

［7］郭春柱.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師案例導(dǎo)學(xué)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

［8］么麗穎.基于Linux的服務(wù)器集群系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2012，25(6):4 －5，26.