网络音频点播软件的设计与开发实验

网络音频点播软件的设计与开发实验一、实验目的掌握基于Socket 的C/S编程的方法掌握 Windows平台Socket 网络应用程序的开发方法掌握 Windows平台多线程网络程序的开发方法二、实验

网络音频点播软件的设计与开发实验

一、实验目的

掌握基于Socket 的C/S编程的方法

掌握 Windows平台Socket 网络应用程序的开发方法

掌握 Windows平台多线程网络程序的开发方法

二、实验内容

在 Windows2000平台下，使用Microsoft Visual C 6.0，基于Socket 开发网络音频 点播程序，服务器端能够捕捉音频流并发送到需要点播的客户端，客户端接收音频流 后播放。不同客户端之间可以互相发送文本。

三、实验原理 

1．Winsock 概述

在 Win32平台上 Winsock是访问网络层协议的首选接口。而且在每个Windows 平 台上，Winsock 都以不同形式存在着。Winsock 与Linux 的Socket 一样，是网络编程接 口， 而不是协议。Winsock  是Unix 的Berkeley(BSD)套接字的基础上发展起来的，Winsock  

有多个版本，从 Windows95、WinNt4 开始，系统就内置了 Winsock1.1, 后来到了 Windows98、windows2000，它内置的 Winsock DLL已更新为 Winsock2.2。Winsock1.1 有 2 种 I/O 方，2 种 I/O 模型，到了 Winsock2.2,则有了 2 种 I/O 方式，5 种 I/O 模型。 另外，Winsock2.2 对 Socket 进行了很多扩充与改进，如重叠 I/O 模型、服务质量控制 等。Winsock 的版本是向前兼容的，也就是说，使用Winsock1.1编程接口的应用程序， 可以在 Winsock2.2的计算机上运行。 

2．Winsock 编程基础 

Winsock 与Linux 的 socket 编程是基本一致的，Linux  的 socket 编程的原理和方法， 在 Windows下依然适用。当然 Winsock有了更多的扩展。 

(1)Winsock的初始化和释放

每个 Winsock应用都必须加载 Winsock Dll的相应版本。如果调用Winsock 之前没 有加载 Winsock库，这个函数就会返回错误，错误信息是 WSANOTINITIALISED。加 载 Winsock库是通过调用 WSAStartup函数实现的，这个函数定义为： 

int WSAStartup( 

WORD wVersionRequested, 

LPWSADA TA lpWSAData 

); 

参数w VersionRequested 指定加载的 Winsock 库的版本，高位字节指定副版本，低 位字节指定主版本。可以使用宏MAKEWORD(X,Y)方便地指定合适的版本。 

lpWSAData 是一个与加载库版本有关的信息， 在函数调用后系统会填充这个结构， 以获得相应的 Winsock库的信息.WSADA TA 结构声明为： 

typedef struct WSAData { 

WORD wVersion; 

WORD wHighV ersion: 

char szDescription ［WSADESCRIPTION_LEN 1］； 

char szSystemStatus[WSASYS_STATUS_LEN 1]; 

unsigned short iMaxSockets; 

unsigned short iMaxUdpDg; 

char FAR  * lpVendorInfo; 

}WSADATA,  *LPWSADATA;

在 Winsock应用程序结束网络程序后，需要释放 Winsock DLL的资源，释放函 数为： 

int WSACleanup (void) 

(2) Winsock的流套接字编程

下图是使用 Winsock流套接字时服务器与客户端的交互过程 

(3)Winsock编程接口支持库 

Winsock 支持库与 Winsock的版本有关，在使用不同版本的 Winsock开发程序时， 需要注意使用 Winsock库，下表列出了不同版本的 Winsock编程接口的支持库。 

(1)名字解析

依用户看来，IP 

地址是不容易记忆的。在指定机器时，大多数人喜欢用一个易记 的、友好的主机名而不是IP 地址。与此类似的是网络域名，大家在访问网页时，喜欢 输入的是服务器的域名地址如www.sina.com.cn , 而不是一个难记的IP 地址。 

Winsock 套接字提供了支持函数，可以将主机名/域名解析为IP 地址。这个函数定 义为：struct hostent FAR *gethostbyname(const char FAR *name); 

该函数传入域名字符串， 返回一个结构hostent, 这个结构包含了名字解析结构信息： struct hosten{ 

char FAR *        h_name; 

char FAR * FAR *  h_aliases: 

short             h_addrtype;

short             h_length; 

char FAR * FAR * h_addr_list; 

}; 

h_name 是正式的主机名或者域名，h_aliases 是一个由备用名字组成的空中止数组， h_addrtype 返回地址家族，h_length表示解析的地址字段长度，h_addr_list 是解析后地 址数组。一般情况下应当使用数组中的第一个地址，但如果返回的地址多于一个，可 以考虑使用其它地址。 

(2)查询错误码

对编写程序而言，错误的查询和控制是十分重要的，不能因为一个小错误导致网 络程序的崩溃。对于 Winsock 来说，返回错误是常见的，但是在大多数情况下，这些 错误都是无关紧要的，通信仍可以继续在套接字上进行。

不成功的 Winsock 接口函数返回的最常见的值是 SOCKER_ERROR 它的常量值被 定义为－1。如果需要查询错误的具体情况，可以调用函数 WSAGetLastError获得错误 代码，了解错误的详细信息，这个函数定义为： 

int WSAGetLastError(void); 

函数返回的错误码都是以预先定义的常量值，可以在相关的帮助或者 winsock 的 头文件中找到它们的含义。 

4、Windows 多线程 

(1)线程的概念

为了了解线程的概念，必须先了解一下进程的概念。

一个进程通常定义为程序的一个实例。在 Win32中，进程占据4GB 的地址空间。 为了让进程完成一些工作，进程必须至少占有一个线程，所以线程是描述进程内的执 行，正是线程负责执行包含在进程的地址空间中的代码。实际上，单个进程可以包含 几个线程，它们可以同时执行进程地址空间中的代码。为了做到这一点，每个线程有 自己的一组CPU 寄存器和堆栈。

每个进程至少有一个线程在执行其地址空间中的代码，为了运行所有这些线程， 操作系统为每个独立线程安排一些CPU 时间， 操作系统以轮转方式向线程提供时间片。 创建一个 Win32 进程时，它的第一个线程称为主线程，由系统自动生成，然后再由这 个主线程生成额外的线程，这些线程又可生成更多的线程。 

(2)编写线程函数

所有线程必须从一个指定的函数开始执行，该函数称为线程函数，它必须具有下 列原型： 

DWORD WINAPI YourThreadFunc(;PVOID lpvThreadParm); 

该函数输入一个LPVOID 类型的参数，可以是一个DWORD 型的整数，也可以是 一个指向一个缓冲区的指针，返回一个DWORD 型的值。 

(3)创建一个线程

一个进程的主线程是由操作系统自动生成的，如果要让一个主线程创建额外的线 程，可以调用CreateThread 函数，这个函数声明为： 

HANDLE CreateThread( 

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,         //SD 

DWORD dwStackSize,                               //initial stack size 

LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,          //thread function 

LPVOID lpParameter, //thread argument 

DWORD dwCreationFlags,                            //creation option

LPDWORD lpThreadId                               //threa identifier 

); 

其中，lpThreadAttributes 参数为一个指向SECURITY_ATTRIBUTES 结构的指针。 如果想让对象为缺省安全属性，可以传一个NULL ；参数 lpStartAddress用来表示新线 程开始执行时代码所在函数的地址，即为线程函数。lpParameter 为传入线程函数的参 数，dwCreationFlags 参数指定控制线程创建的附加标志，可以取两种值。如果该参数 为 0，线程就会立即开始执行，如果该参数为 CREA TE_SUSPENDED，则系统产生线 程后，挂起该线程。最后一个参数 lpThreadId 是一个 DWORD 类型的地址，返回赋给 新线程的ID 值。 

CreateThread 函数参数较多，但在常见的使用中，这些参数可以取默认值，如： DWORD dwThreadId; 

HANDLE hThread=CreateThread(NULL,0,ServiceThread,param ,0,&dwThreadId); 

(4)终止线程

如果某些线程调用了ExitThread 函数，就可以终止自己。 

VOID ExitThread( 

DWORD dwExitCode                          //exit code for this thread 

); 

这个函数为调用该函数的线程设置了退出码dwExitCode 后，就终止该线程。调用 TerminateThread 函数也可以终止线程： 

BOOL TerminateThread( 

HANDLE hThread,                       //handle to thread 

DWORD dwExitCode                          //exit code 

): 

该函数用来结束由hThread 参数指定的线程，并把dwExitCode 设成该线程的退出 码。当某个线程不再响应时，就可以用其它线程调用该函数来终止这个不响应的线程 

(5)挂起及恢复线程

在线程被创建后的运行过程中，可以将线程挂起，线程在保存当前的运行环境后 进入睡眠状态，不再占用 CPU ；然后程序可以某个时刻“唤醒”这个线程，恢复运行 环境，然后继续运行。挂起和恢复的函数分别为： 

DWORD SuspendThread(HANDLE hThread); 

DWORD ResumeThread(HANDLE hThread); 

四、实验步骤 

1、需求分析

这是一个网络音频点播的工程，服务器端能够捕捉音频流并发送到需要点播的客 户端，客户端接收音频流后播放。不同客户端之间可以互相发送文本。显然程序包含 两个程序：服务器和客户端，它们需要实现的功能为：

（1）服务器 

●音频的捕捉：使用音频编程接口捕捉服务器正在播放的音频。

●音频数据的缓存：保存捕捉的音频数据，并在合适的时刻交给网络模块发送。 ●音频数据的发送：发送音频数据流到客户端。

●多客户的支持和管理：应该能够支持多个客户同时接收网络音频，并能够监控和 管理多个用户。

●文本接收和发送功能：接收到一个客户端发送的文本后，将文本信息转发给相应 的客户端。

(2)客户端

●音频数据的接收。

●音频数据的缓存。

●音频数据的播放。

●文本接收和发送功能。 

2．程序的设计

这是一个标准的客户/服务器程序，使用socket 套接字编程接口实现网络功能。

（1） 套接字类型

由于这个工程是音频和文本的传输，对可靠性要求较高，同时音频数据的播放对 及时性和传输效率要求较高，所以应当使用面向连接的流式套接字来实现网络数据的 传输。

（2） 服务器模式

音频的传输不需要服务器接收客户端的信息，所以不用考虑服务器模式。而客户 端的文本通信需要服务器来转发，这种文本通信具有并发的特点，所以应当采用并发 服务器模式，而且由于传输的信息量不是很大，所以可以考虑采用select 函数监听多客 户端的设计方法，结构如下图所示。

（3）socket 类封装

本实验项目中两种数据需要网络传输：音频数据和文本数据。而对于socket 来说， 它并不认为这两种数据有什么不同。都是数据流，只需要发送而已。Socket 的初始化、 连接和接收发送等功能都与数据无关。所以应当使用类来封装socket ，实现基本的网络 功能，并使用类的继承或者对象组合扩展它的功能，实现文本和音频流的传输。Socket 类可以在服务器程序和客户端程序中使用。 

(4)音频捕捉和播放

音频捕捉和播放并不是本实验的重点，可以使用很多种方法来实现这个功能。可

以使用面向对象的编程方法将音频捕捉和播放的实现细节封装起来，并提供统一的使 用接口，供其它功能模块使用。

本实验提供了一个音频捕捉和播放模块的例子，在实验 FTP 服务器的目录下，它 使用了 DirectX 技术，调用 DirectSoundCapture 和 DirectSound 接口分别实现音频的捕 捉和播放，并提供了相应的接口。 

(5)服务器设计

服务器依据的需求，应当包含以下模块：

●音频捕捉模块：可以开始和中止音频的捕捉，并提供定时获取音频流数据接口。 ●数据发送模块： 可以将数据发送到指定的客户端。 支持多个和单个客户端的发送。 ●客户端服务模块：接收客户端的网络数据，并在解析客户端请求后交给相应模块 处理。

●客户维护和管理模块：维护客户列表。

●控制台模块：监视服务器运行状况、日值记录和控制服务器。

各个模块间的关系如下图所示。 

(6)客户端设计

客户端依据需求，就当包含以下模块：

●音频播放模块。

●数据接收模块。

●文本发送模块。

客户端的结构图请自己绘出。 

3、开发实现

由于工程较大，开发实现的具体步骤将不再叙述，下面介绍一些需要注意的问题。 

(1)C/S通信协议

在客户端和服务器间进行通信时，惟一的方式是发送和接收数据。而数据又可能 有多种数据类型，如音频数据、文本数据、控制信息等。服务器和客户端必须为不同 的数据类型定义不同的数据传输格式，以便服务器和客户端之间能够正常的“通话” ， 否则它们接收到的数据就只能是一堆无法理解的密文。

常见的设计方法是定义服务器和客户端通信协议，为每种数据类型和操作规定详 细的解释和行为。如是单纯发送文本数据时，可以在发送的文本数据前添加字段的长

度。这是一种简单的形式。在本实验中上，由于涉及复杂的数据类型，所以通信协议 也相对复杂，能够支持全部数据类型。

的长度，最后是实际要发送的数据。 

(2)发送数据

在使用socket 编程接口发送数据时，使用send 函数，如： 

char buf[1024*4]; 

int r=send(sockfd,buf,1024*4,0); 

对于上面的代码，返回值的表示实际发送的数据，在正常情况发送情况下，有可 能小于发送缓冲区的大小。对于TCP 来说，一个主要的原因是窗口大小的问题，接收 端会对窗口大小进行调整，指出它可以接收多少数据，如果有大量数据涌入接收端， 它就会减少窗口大小甚至设置窗口为0. 

在上面的例子中，如果一次只能发送1024字节的数据，则发送就不完整，所以应 当处理这种情况，常见的方式是循环发送缓冲区中的数据，直至全部发出，如： 

char buf[1024*]; 

int toal_bytes=1024*4; 

int send_bytes=0 

while (sendbytes

{ 

r=send(sockfd,buf   send_bytes,total_bytes – sendbytes,0); 

if(r<0) 

return r;              //发生错误 

send_bytes   =r; 

} 

return 0; 

(3)音频捕捉设置

需要正确设置音频的捕捉源，由于实验是捕捉声卡发出的声音，所以需要设置捕 捉源为相应类型。 在Windows 的录音控制中(控制面版®声音和音频控制®音频®音量) 选中“Wave Out Mix”(或波形输出混音) 下的“选择 ”复选框，这个参数在不同的声卡 中可能有细微差别。 

(4)运行程序

在一台计算机上运行服务器程序，在运行之前首先开始播放音频。在其它几台计 算机上运行客户端程序，并连接到服务器，收听网络点播的音频

思考题 

1. Winsock1.1 版本的应用程序是否可以与 Winsock2.2 的应用程序进行正常的通信？ 请说明原因。 

2. 在文本数据传输的服务器模式中使用并发服务器模式，可以采用 select 函数监听多 客户端的设计方法，也可以采用一个线程对应一个客户端的方法并发服务器，这两 种方法哪一种更适合这个实验程序，为什么？ 

3. 在调用recv 接收数据时，接收到数据并不一定就是发送方发出的数据大小，而是可 能大于或者小于这个值，如何在编程中处理这个问题？