Lab 3：Socket编程

一、实验目标

通过 Python socket 编程建立 TCP 连接，掌握使用 Socket 创建网络连接的基本方法；
学习如何发送自定义的应用层协议报文，了解应用层协议的构建和传输过程；
使用 Wireshark 插件识别和观察自定义的应用层协议报文，探索网络工具的更多用法；
深化对TCP连接、应用层协议和网络通信过程的理解，提高网络编程和调试技能。

二、实验原理

套接字（Socket）是应用程序与网络之间的一种标准通信接口，用于建立连接、发送和接收数据等操作。从应用程序的角度看，可以将它视为使用网络服务的门户；从网络的角度看，可以将它视为一个通信端点。Socket 允许两个进程通过网络进行通信，无论它们运行在同一个计算机还是不同的计算机上。

使用 Socket 编程通常有以下步骤：

创建 Socket ：首先需要创建一个 Socket 对象，在创建之初就需要指定 Socket 使用的传输协议类型，例如 TCP、UDP等。
绑定 Socket ：将 Socket 对象绑定到一个特定的地址和端口，相当于告诉网络协议栈自己的“门牌号”，其他程序就可以通过该地址和端口与指定的 Socket 通信。
监听端口：服务器端程序需要开始监听指定端口，等待响应客户端发送的连接请求或数据。
建立连接：在有连接协议中，客户端程序需要尝试连接到服务器的 Socket 地址。
发送和接收数据：客户端和服务器通过 Socket 发送和接收数据，可以是文本、文件、图像或任何其他类型的数据。
关闭连接：通信结束后，有连接的协议应当关闭连接以释放资源。

三、实验内容

3.1 实验要求

使用 Python TCP 套接字编程，实现客户端与服务端，建立 TCP 连接；
通过建立起的 TCP 连接发送自定义的应用层协议 FDUnet 报文；
使用 Wireshark 抓取自制客户端和服务器通信过程，并识别出 FDUnet 协议。
提交内容：提交相关代码。在报告中对代码进行简要解释，并包含以下运行效果截图：
1. 服务器分别对不同输入返回 200 OK 和 501 Not Implemented；
2. 一个服务器与一个客户端建立连接，并连续发送多条消息；
3. 一个服务器同时与两个客户端建立连接，并发送消息；
4. 任一客户端输入 #quit 后，双方关闭连接，但服务器继续服务其他客户端；
5. 选择 Wireshark 抓取到的任意一对 FDUnet 协议请求和应答报文，展示解析出的报文内容。

3.2 运行逻辑

客户端：给服务端发送字符串，并打印收到的来自服务端的字符串。

服务端：监听端口，接收并打印客户端发来的字符串；将字符串中的大写字母转化为小写字母，小写字母转化为大写字母，其他字符不变，然后返回给客户端。

当客户端发送“#quit”时，双方关闭连接，客户端直接结束运行，服务器端继续服务其他连接。

编程时需要注意以下细节：

为了更好地观察 Socket 运行的过程，本实验要求使用 Python 的 socket 库，禁止使用抽象级别更高的 socketserver 库；
为了和下发的 Wireshark 自定义插件配合，服务器监听的 TCP 端口号需要使用 12000，否则要自行更改插件；
双方需要支持在一次连接中进行多次通信，不能每次通信都建立新的连接；
一个服务端需要支持同时与多个客户端建立连接并通信，为此你可能需要使用 Python 的 threading 等多线程库。

3.3 FDUnet 协议

FDUnet 是我们自定义的一个应用层协议。通过生成和发送 FDUnet 报文，同学们会发现，任意协议只要获得了通信双方的认可，就能被用来进行信息交流，甚至 Wireshark 等第三方工具也可以解析报文的内容。 FDUnet 协议的报文具体格式如下：

客户端：

方法： POST
URL ：/
版本：1.0
首部行：Date: GMT时间（返回当前时间，格式仿照课本上 HTTP 报文时间格式：Thu，15 Feb 2023 15:44:04 GMT）
实体：想要转化的字符串

服务器端：

版本：1.0
状态码和短语：
- 如果客户端请求行正确，且实体内容中有字符串。则返回 200 OK，并在实体内容中返回转换后的字符串。
- 否则，返回 501 Not Implemented，实体可以为空。
首部字段名: Date: GMT时间（返回当前时间，格式仿照课本上 HTTP 报文时间格式：Mon，11 Dec 2024 15:44:04 GMT）

3.4 使用 Wireshark 解析 FDUnet

Wireshark 允许用户编写自定义的协议解析器，以便正确解析和显示自定义协议的数据包。解析器一般为 LUA 插件的形式， eLearning 已经上传了编写好的 FDU-net.lua 文件。请按以下步骤进行操作：

对 Wireshark 文件夹下没有 init.lua 的新版本：直接将 FDU-net.lua 复制到 Wireshark/plugins文件夹下，重启 Wireshark 即可从解析表里找到 FDUnet。

对 Wireshark 文件夹下有 init.lua 的旧版本：

在 Wireshark安装目录下，找到 init.lua 文件，并在最后一行添加：

if not running_superuser or run_user_scripts_when_superuser then
	dofile(DATA_DIR.."console.lua")
end
	dofile(DATA_DIR.."FDU-net.lua")
--dofile(DATA_DIR.."dtd_gen.lua")

将FDU-net.lua文件复制到同一文件夹下，如下图：

重启 Wireshark。

如果插件正确安装，可以在 Wireshark 的“视图-内部-解析器表（Dissecter Tables）”中查找到 “FDUnet” 协议，如下图。助教提供的插件使用的端口号是12000，如果想要使用其他端口可以自行修改插件。

由于客户端和服务器都运行在本地，捕获分组时需要选择回环网口（Adapter for loopback traffic capture）。如果操作正确， Wireshark 应当能捕获并解析 FDUnet 协议的报文，效果如下图：

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