基于树莓派的简单双机通信系统设计.doc-资料库

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嵌入式系统大型实验报告题目：基于树莓派平台的聊天室软件设计和实现作者姓名杨泽铭、张乐乐、徐博文、孙嘉懋、王东升指导教师杨海清学科专业通信 1501 培养类别全日制本科所在学院信息工程学院提交日期 2018 年 9 月 14 日

浙江工业大学本科课程实践嵌入式系统大型实验报告基于树莓派平台的聊天室软件设计和实现作者姓名：杨泽铭、张乐乐、徐博文、孙嘉懋、王东升指导教师：杨海清浙江工业大学信息工程学院 2018 年 9 月 II

浙江工业大学本科课程实践基于树莓派的双机通信设计和实现摘要针对当前聊天系统日益的发展完善，随着信息的高速发展,人们越来越倾向于借助网络通过聊天工具进行交流。生活中已经离不开网络了,而与我们最密切相关的网络工具就是即时通信软件,如人手一个账号的 QQ,微信,以及中国移动的飞信等,大量的社交工具帮助着我们与朋友,与社会各地的人的交流。同时基于对于聊天原理的一定的理解，我们这次决定用树莓派做一个简单的聊天系统。在完成的过程中，我们运用了 python 进行编程完成聊天功能，并重新对 TCP/UDP 协议有了更深的认识。关键词：linux，嵌入式，树莓派，python，socket III

浙江工业大学本科课程实践目录第 1 章绪论..................................................................................................................1 1.1 即时通讯的历史...........................................................................................1 1.2 即时通讯的原理...........................................................................................2 1.3 实验内容.......................................................................................................2 第 2 章树莓派简介......................................................................................................3 2.1 树莓派主要功能...........................................................................................3 2.2 树莓派及其开发环境.....................................................................................4 2.3 树莓派发展现状...........................................................................................7 第 3 章树莓派和基础软件介绍..................................................................................9 3.1 树莓派供电.....................................................................................................9 3.2 树莓派基础配置...........................................................................................10 3.3 基础软件介绍...............................................................................................12 第 4 章树莓派间通信系统的设计............................................................................14 4.1 树莓派间通信系统的总体框架.................................................................14 第 5 章通过编程实现通信过程................................................................................15 5.1 树莓派的配置.............................................................................................15 5.2 编程语言的选择和编译过程.....................................................................16 5.3 程序编写及其实现过程.............................................................................17 第 6 章结论与展望....................................................................................................18 6.1 结论.............................................................................................................18 6.2 展望.............................................................................................................18 参考文献..........................................................................................................19 附录..........................................................................................................................20 团队成员工作照片......................................................................................................22 IV

浙江工业大学本科课程实践第 1 章绪论 1.1 即时通讯的历史即时通讯（Instant Messenger，简称 IM）软件可以说是目前我国上网用户使用率最高的软件，无论是老牌的 ICQ，还是国内用户量第一的腾讯 QQ，以及微软的 MSN Messenger 都是大众关注的焦点，它们能让你迅速地在网上找到你的朋友或工作伙伴，可以实时交谈和互传信息。而且，现在不少 IM 软件还集成了数据交换、语音聊天、网络会议、电子邮件的功能。 IM 软件的历史并不久远，但是它一诞生，就立即受到网民的喜爱，并风靡全球。在它的发展史上，以色列人是功不可没的。正是四位以色列籍的年轻人，在 1996 年 7 月成立的 Mirabilis 公司，并于同年 11 月推出了全世界第一个即时通讯软件 ICQ，取意为“我在找你”——“I Seek You”，简称 ICQ 了。直到现在，ICQ 已经推出了它的 2002a 版本，在全球即时通讯市场上占有非常重要的地位。目前，国内最为流行的即时通讯软件是 OICQ（简称 QQ）。它以良好的中文界面和不断增强的功能形成了一定的 QQ 网络文化。Messenger 虽出道较晚，但依托微软的强大背景，实力也不可小视。作为 Windows XP 的一部分，Messenger 整合了操作系统的许多功能，如多种形式的聊天选择、多人的单窗口讨论式交流以及充分的文件与桌面共享功能等。它的令人耳目一新的中文界面和注册方式，连同它强大的功能，着实吸引了众多的眼球的注视，此外还有许多有特点的 IM 软件。 1

浙江工业大学本科课程实践 1.2 即时通讯的原理我们经常听到 TCP/IP 和 UDP(用户数据报协议)这两个术语，它们都是建立在更低层的 IP 协议上的两种通讯传输协议。前者是以数据流的形式，将传输数据经分割、打包后，通过两台机器之间建立起的虚电路，进行连续的、双向的、严格保证数据正确性的文件传输协议。而后者是以数据报的形式，对拆分后的数据的先后到达顺序不做要求的文件传输协议。 QQ 就是使用 UDP 协议进行发送和接收“消息”的。当你的机器安装了 OICQ 以后，实际上，你既是服务端（Server），又是客户端（Client）。当你登录 OICQ 时，你的 OICQ 作为 Client 连接到腾讯公司的主服务器上，当你“看谁在线”时，你的 OICQ 又一次作为 Client 从 QQ Server 上读取在线网友名单。当你和你的 OICQ 伙伴进行聊天时，如果你和对方的连接比较稳定，你和他的聊天内容都是以 UDP 的形式，在计算机之间传送。如果你和对方的连接不是很稳定，QQ 服务器将为你们的聊天内容进行“中转”。其他的即时通信软件原理与此大同小异。 1、用户首先从 QQ 服务器上获取好友列表，以建立点对点的联系； 2、用户（Client1）和好友?Client2?之间采用 UDP 方式发送信息； 3、如果无法直接点对点联系，则用服务器中转的方式完成。 1.3 实验内容这次实验内容是在用树莓派完成一个简单的双工的聊天通信，了解 python，并能简单的运用编程，同时对基于 TCP/UDP 的 socket 编程有一定的了解。 2

浙江工业大学本科课程实践第 2 章树莓派简介 2.1 树莓派主要功能为提升大规模网络的整体运行性能，对网络的运行质量需要进行有效的测量，可以使用大量的分布式探针来监测网络各个节点的数据。主流的网络测量标准分为主动式和被动式测量。为了监测大规模网络的性能，单点测量所关注的数据远远不够，往往需要在网络的关键节点处部署探针进行多点测量。树莓派功能强大、设备小巧、可整合丰富的 Linux 类软件，可以方便的在节点作为探针发起主动的 TCP\UDP 网络性能测试。使用树莓派网络探针可以测量内容包括吞吐量、延迟、丢包率，并作网络可靠性、稳定性、可达性等方面的分析，保障网络服务质量。树莓派网络探针的网络性能测量指标主要关注如下内容：（1）可用性（Availability）通过采用 ICMP 协议发送测试包测试样本测试点是否可达，根据 ICMP 测试的回显数据分析，从而监测网络的可用性。通过 ICMP 测试时，可以根据需要发送包的数量和包的大小。（2）网络时延（Network Delay）监测端到端的网络时延是监测网络质量的一个重要指标，可以综合监测数据包的正向时延、反向时延、往返时延来分析评估。（3）丢包率（Packet Loss Rate）网络丢包率是数据包丢失部分与所传数据包总数的比值。正常传输时网络丢包率应该控制在一定范围内。丢包率与数据包长度以及包发送频率相关。通常情况下，千兆网络丢包率应小于万分之五；百兆网络丢包率应小于万分之一。（4）网络吞吐量（Network Throughput）网络吞吐量是指在某个时刻，在网络中的端到端之间，实际可用的有效带宽。网络吞吐量非常依赖于当前的网络负载情况，必须综合多个情况的综合吞吐量测试，才能测量出相对准确的网络吞吐量。 3

浙江工业大学本科课程实践（5）网络抖动（Jitter）网络抖动用于描述包在网络中的传输延时的变化，抖动越小，说明网络质量越稳定越好。抖动是评价一个网络性能好坏的较为重要的因素。为了综合的测得网络整体的性能指标需要，需要采用易于部署的测试设备分布在网络的各个节点进行测量，从而整体的监测全网数据，树莓派是成熟的嵌入式 ARM 开发平台，适合承担这个任务。 2.2 树莓派及其开发环境树莓派 Raspberry PI 是一个采用 ARM 架构的开放式嵌入式系统，外形小巧，却具有强大的系统功能和接口资源。它是以 ARM11 处理器为核心的单板计算机，拥有 256MB、 512MB 甚至 1G 的内存，具有 USB 接口、快速以太网接口、SD 插槽、HDMI 输出接口。树莓派小巧玲珑，能提供 1080p 全高清影像输出。在搭载基于 ARM 的 Debian 和 Arch 等 Linux 的发行版后，便可使用大量现有的软件库，使用大量的开源软件，也便于实行开发扩展。树莓派支持多种语言进行应用开发，包括 C 语言和 Python 脚本等。树莓派预装了 Python 运行环境，由于 Python 语言的简单易用，使得 Python 开发在树莓派上非常流行。Python 是一门解释型语言，这意味着代码运行前不需要编译，即程序直接执行而不需要编译为机器语言，Python 用在树莓派上进行编程开发就非常方便。Python 语言发展多年，有着成熟而广泛的开发者社区，使得树莓派上的 Python 开发者具备了强大的社区支持。 2.3，树莓派发展现状 2008 年，4 位创始人一起创立了树莓派基金会，3 年后，该基金会成为第一个大规模生产树莓派的生产线。一年内，基金会卖出了 100 多万台设备。基金会成员多次表示他们对这种爆炸式的热情感到十分震惊。最初的目的仅仅是推出一种廉价的、可编程的设备，使教育工作者和学生获益，显然现在这个目的已经达成了。不仅如此，现在的成果比最初设想的要大得多。很明显，他们并不是唯一希望拥有廉价可编程设备的一类人，世界各地的爱好者，连同大公司 element14、 4

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