面向TCP/IP網絡編程實驗平臺的設計*

張愛科

(柳州職業(yè)技術學院，廣西 柳州 545006)

0 引言

網絡編程實驗對實驗環(huán)境要求比較高，傳統(tǒng)的網絡編程都是直接讓用戶在不同的程序開發(fā)環(huán)境中進行實驗開發(fā)。但是由于網絡編程應用的開發(fā)往往需要大量的基礎代碼的實現，使得用戶在開發(fā)網絡程序應用的時候，需要花費大量的時間和精力在設計和完成與網絡接口關系并不密切的程序代碼上，從而提高了網絡編程的實驗門檻。從目前的研究成果來看，當前對網絡編程實驗環(huán)境的研究更多的是對一些基礎環(huán)境的建設，而對如何降低網絡編程實驗門檻，更好地輔助實驗者進行網絡編程實驗所開展的工作并不多。因此本文針對這一現狀提出的基于計算面向 TCP/IP協(xié)議的網絡編程實驗平臺，通過對實驗過程的研究和分析，設計真正有助于輔助實驗者進行網絡編程實驗的相關功能模塊，降低網絡編程實驗的開發(fā)難度[1-2]。

1 網絡編程實驗平臺設計原理

網絡編程實驗平臺的設計目標是為實驗者提供網絡編程開發(fā)調試的實驗環(huán)境，降低實驗者進行網絡編程開發(fā)實驗的難度，盡可能有效地輔助實驗者更為容易開展網絡編程實驗。網絡編程實驗開發(fā)平臺的設計原理，是通過一個后端程序運行平臺為實驗者進行網絡編程實驗，搭建程序編寫的主體框架，根據實驗者的實驗內容和實驗目的，在整個實驗框架中空出部分程序代碼，以函數接口的形式由實驗者完成特定的實驗代碼。在實驗過程中，要求實驗者完成的部分函數接口清晰，變量定義明確，函數功能描述準確，實驗者根據實驗平臺所要求完成的部分函數的編程，進行網絡編程開發(fā)。實驗者完成特定函數的編寫之后，網絡編程實驗平臺能夠將系統(tǒng)預先產生的網絡編程相關代碼與實驗者提交的函數模塊合為一體，進行程序的編譯，而且在網絡實驗平臺中能夠對程序的運行過程進行單步跟蹤調試。根據調試的需求不一樣，可以提供基于指令的單步和基于函數過程的單步調試形式，也可以為實驗者提供靈活多樣的斷點管理[3-4]。同時，實驗者使用該實驗平臺進行單步調試的過程中，能夠將程序運行過程中的相關變量以及程序運行時內存的相關信息進行輸出，給用戶提供一個與真實的網絡編程調試環(huán)境完全一致的實驗環(huán)境。根據網絡編程實驗平臺的設計原理，網絡編程實驗平臺在設計過程中，主要解決了問題有：網絡編程總體程序框架的自動生成、基本函數的定義以及函數之間的變量傳遞，除此之外還需要實現網絡編程程序的調試分析環(huán)境。本文將針對網絡編程實驗平臺實現過程中所涉及的這些問題，分別予以分析和實現。

2 網絡編程實驗平臺的實現

根據本文設計的網絡編程實驗平臺設計原理，本文設計的網絡編程實驗平臺的組成結構如圖1所示。整個網絡編程實驗平臺分為前端和后端兩個部分。后端是網絡編程實驗平臺實現的基礎，其主要是根據前端所選擇的網絡編程實驗內容和實驗目的，自動地產生網絡編程實驗程序。網絡編程實驗平臺后端產生完整的一個網絡編程實驗的程序之后，根據程序的組成框架以及實驗者的實驗目的，對該程序框架中的某些關鍵的程序模塊進行刪減，而只對實驗者提供這些程序模塊的函數名稱、函數接口以及函數功能的描述。之后，網絡編程實驗平臺的后端將產生的程序主體結構以及空缺的函數名稱及函數接口描述，同時發(fā)布給網絡編程前端。網絡編程的前端通過接收后端傳遞過來的網絡編程代碼，將在一個虛擬的程序調試環(huán)境中完成網絡編程開發(fā)實驗，實驗者在該環(huán)境下所看到的網絡編程界面與在傳統(tǒng)的編程環(huán)境中看到的界面是完全一致的。本文在設計過程中，通過將Visual C++編程內核，完整地移植到本文設計的實驗平臺中，使得用戶在該實驗平臺的操作環(huán)境，完全繼承了 Visual C++的編程應用環(huán)境[5]。

圖1 網絡編程實驗平臺設計原理

從圖2以看出，在網絡編程前端中主要會包括標準的庫函數、程序開發(fā)接口、程序調試模塊以及用戶實驗操作界面以及用戶程序評價模塊。在所有這些功能模塊中，程序開發(fā)接口和調試環(huán)境是網絡編程實驗平臺前端的核心模塊。其中調試環(huán)境通過繼承Visual C++的內核進行實現，能夠為用戶提供單步跟蹤的調試功能，基于過程的單步調試功能以及程序斷點設置功能。在程序運行過程中應用Visual C++內核所提供的程序運行過程中變量輸出等功能，能夠實現對網絡編程實驗中涉及到的局部變量和全局變量進行觀測。該模塊主要是為輔助用戶進行網絡編程開發(fā)所提供的輔助性功能，通過這兩個模塊能夠讓用戶更加清晰地看到整個編程實驗中，程序的總體框架以及程序所包含的所有函數，通過函數之間的調用關系又可以清晰地看到函數與函數之間的邏輯關系，以及所有的函數是如何通過相互之間的參數傳遞有機地組合在一起，完成特定的程序功能。網絡編程實驗平臺中的程序組成框架示意圖是通過對網絡編程程序中的源碼進行動態(tài)的掃描，實時檢測當前運行的實驗程序總體結構，對當前實驗程序中的所有函數進行監(jiān)測，形成當前正在編程開發(fā)的實驗程序組成結構。而函數之間的依賴關系則是通過掃描程序內函數之間的調用關系以及跟蹤參數的傳遞過程所形成的函數之間調用關系圖。通過這兩個模塊的實現，能夠有力地輔助用戶開發(fā)相應的網絡程序，降低網絡編程的難度。

圖 2 網絡編程實驗平臺組成結構

3 網絡編程實驗平臺后端設計

網絡編程實驗平臺后端的開發(fā)與設計是整個平臺實現的重要基礎。由于網絡編程實驗平臺的后端負責程序總體框架的自動產生，因此對后端的開發(fā)與設計是整個實驗平臺開發(fā)的關鍵之處。本文在設計網絡編程實驗平臺后端過程中主要分以下三個子模塊進行開發(fā)和實現[6-7]。

3.1 程序框架的產生

網絡編程實驗的目的是為了讓實驗者進行網絡編程實驗。傳統(tǒng)的實驗過程是實驗者根據其實驗目的和實驗內容從零開始，完全由實驗者去搭建整個程序的框架，最終實現特定的網絡編程功能。在傳統(tǒng)的網絡編程實驗過程中，由于每個網絡應用程序都需要大量的基礎功能的代碼來實現，因此實驗者為了實現某一特定的功能，不得不開發(fā)大量的相關的基礎源碼，使得開發(fā)的進度非常慢，而且大幅度提高了網絡編程實驗的難度。根據本文設計的網絡編程實驗平臺的設計原理，在實驗過程中，將由系統(tǒng)自動去產生網絡編程應用的基礎代碼，而只由實驗者完成關鍵部分的少量代碼的開發(fā)與實現。本文在設計過程中，設計的如圖3示的網絡應用程序框架自動產生流程。首先根據用戶選取的網絡編程實驗功能，自動地產生與該實驗功能相對應的程序抽象功能描述，然后根據程序抽象功能描述，在網絡編程實驗數據庫中提取相應的程序流程和程序框架，而程序流程在提取過程中又自動地在基本的函數庫中提取相應的函數體，拼接形成目標程序框架，最終將所形成的程序框架進行輸出。整個程序框架的自動產生過程中，標準的程序數據庫是實現的關鍵，一般通過預先設置的方式存儲于程序數據庫中[8]。

圖3 網絡編程實驗平臺程序產生過程

3.2 基本函數的定義

從本文設計的網絡編程主體程序框架自動產生流程可以看出，所有的程序自動產生之后，都需要通過調用基本的函數來實現，而對于網絡編程實驗過程中，哪些函數可以作為基本函數，是可以通過預先對實驗內容進行分析，以及結合長期的網絡編實驗程經驗予以確定。本文在設計過程中建立了類似于樹形的基本函數關系結構，即處于最底層的是最基本的函數體，完成功能最為單一的原子操作，而在基本的函數體的上一層，可以定義粒度更高一級的基本函數體。所有基本函數的定義，在系統(tǒng)的設計初期，由設計者予以完成。而且在后期的運行過程中，基本函數的定義還可以由用戶自行添加。用戶所添加的基本函數粒度，既可以是處于最底層的原子操作的基本函數，也可以是對現有的多個基本函數以及用戶所定義的一些自定義基本函數有機組合之后形成的新的基本函數。

3.3 函數之間的關聯

通過后端產生的程序框架以及調用了相關基本函數之后，函數與函數之間，必須通過統(tǒng)一的變量和變量的描述形式進行數據的傳遞，本文在設計的網絡編程實驗后端系統(tǒng)中，對所有函數之間的變量定義、變量描述以及函數之間的變量參數傳遞，都進行了統(tǒng)一的約定，使得函數之間能夠進行平滑的數據傳遞，只有將函數之間的所有參數傳遞和變量賦值問題進行了統(tǒng)一規(guī)范化的定義與處理之后，才能確保所有的函數之間能夠有機地組合在一起，從而保證通過后端系統(tǒng)自動產生的程序框架，能夠可靠地交給前端實驗平臺進行應用，并且確保用戶所開發(fā)的實驗程序能夠結合后端自動產生的程序框架有機地結合在一起，并實現特定的網絡編程功能。

4 結語

網絡編程實驗一直缺乏有效的實驗平臺，使得網絡編程在實驗過程中一直缺乏很好的輔助工具，網絡編程的實驗效果也難以得到有效的保障，本文設計的網絡編程實驗平臺通過簡化網絡編程中的程序代碼，使得實驗者能夠將更多的精力集中到特定的功能代碼開發(fā)上去。而且實驗平臺所提供的相關輔助開發(fā)模塊能夠更有效地輔助用戶進行網絡編程的實驗，具有良好的應用價值。

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