封裝Ethernet幀課程設(shè)計

1、 沈陽理工大學課程設(shè)計專用紙 No14目錄1 課程設(shè)計目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52 課程設(shè)計要求 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53 相關(guān)知識. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 4 課程設(shè)計分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

2、5 相關(guān)擴展 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 程序代碼. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147 運行結(jié)果與分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168 參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171課程設(shè)計目的 幀是

3、在數(shù)據(jù)鏈路層中進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝?。熟悉幀結(jié)構(gòu)對于理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的概念、網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)與協(xié)議執(zhí)行過程具有重要的意義。本課程設(shè)計的主要目的是通過封裝Ethernet幀，了解Ethernet幀中各個字段的含義與用途。2 課程設(shè)計要求根據(jù)后面介紹的IEEE802.3幀結(jié)構(gòu)，編寫程序?qū)⒅付〝?shù)據(jù)封裝為Ethernet幀。1）以命令行形式運行： EncapFrame input_file output_file 其中，EncapFrame為程序名，input_file為輸入數(shù)據(jù)文件，output_file為輸出文件。2) 輸出內(nèi)容：Ethernet幀的各字段內(nèi)容。3 相關(guān)知識1.幀 術(shù)語“幀”來源于串行線路

4、上的通信。其中，發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)的前后分別添加特殊的字符，使它們成為一個幀。Ethernet從某種程度上可以被看做是機器之間的數(shù)據(jù)鏈路層連接。首先我們來認識一下幀結(jié)構(gòu)，EthernerV2.0規(guī)范和IEEE802.3標準中的Ethernet幀結(jié)構(gòu)有一些差別，這里我們按802.3標準的幀結(jié)構(gòu)進行討論。圖為幀結(jié)構(gòu)圖前導碼幀前定界符目的地址源地址長度字段數(shù)據(jù)字段校驗字段（7B）（1B）（2/6B）（2/6B）（2B）（長度可變）（4B） 圖1.幀結(jié)構(gòu)圖如上圖所示，802.3標準的Ethernet幀結(jié)構(gòu)由7部分組成。（1） 前導碼與幀前定界符字段前導碼由56位（7B）的1010101010101010

5、位序列組成。幀前定界符可以視為前導碼的延續(xù)。1B的幀前定界符結(jié)構(gòu)為10101011.如果將前導碼與幀前定界符一起看，那么在62位1010101010位序列之后出現(xiàn)11。在11之后是Ethernet幀的目的地址字段。前導碼與幀前定界符主要是保證接收同步，這8B接收后不需要保留，也不記入幀頭長度中。（2） 目的地址和源地址目的地址（DA）與源地址（SA）分別表示幀的接收結(jié)點地址與發(fā)送結(jié)點的硬件地址。在Ethernet幀中，目的地址和源地址字段長度可以是2B或6B。目前的Ethernet都使用6B長度的地址。Ethernet幀的目的地址可以是單播地址、多播地址與廣播地址，目的地址的第一位為0表示單播

6、地址，為1表示多播地址，目的地址為全1則表示廣播地址。（3） 長度字段Ethernet幀用2B定義數(shù)據(jù)字段包含的字節(jié)數(shù)。協(xié)議規(guī)定，幀數(shù)據(jù)的最小長度為46B，最大長度為1500B。設(shè)置最小幀長度的目的是使每個接收結(jié)點能夠有足夠時間檢測到?jīng)_突。（4） 數(shù)據(jù)字段幀數(shù)據(jù)字段的最小長度為46B。如果幀的LLC數(shù)據(jù)少于46B，則應將數(shù)據(jù)字段填充只46B。填充字符是任意的，不計入長度字段值中。（5） 校驗字段幀校驗字段（FCS）采用32位的CRC校驗。校驗的范圍包括目的地址字段、源地址字段、長度字段、LLC數(shù)據(jù)字段。此處，為了簡便起見，采用8位的CRC校驗。CRC校驗的生成多項式為：G(X)=X8+X2+X

7、+1某些幀結(jié)構(gòu)中還會包括幀類型字段，用來識別此幀所承載的數(shù)據(jù)的類型。當一個幀到達指定的計算機時，操作系統(tǒng)根據(jù)幀類型決定用哪個協(xié)議軟件模塊對它進行處理。自識別幀的主要優(yōu)點是，可以在同一物理網(wǎng)絡(luò)中使用多個協(xié)議而互不干擾。2.CRC校驗 循環(huán)冗余編碼的編碼方式。 過程：在發(fā)送端，根據(jù)要傳送的k位二進制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個校驗用的r位監(jiān)督碼，附在原始信息的后邊，構(gòu)成一個新的二進制碼序列，然后發(fā)送出去。在接收端，根據(jù)信息碼和CRC碼之間所遵循的規(guī)則進行檢驗，以確定傳送中是否出錯。（1） CRC編碼的代數(shù)學原理將一個碼組表示為一個多項式，碼組中的各碼元作為多項式的系數(shù)。設(shè)編碼前的原始信息多項式為P

8、（x），P（x）最高次冪加1等于k；生成多項式為G(x),它的最高次冪等于r；CRC多項式為R(x)；編碼后的帶CRC的信息多項式為T(x)。發(fā)送方編碼的方法是：P(x)乘以xr，再除以G(x),得余式即為R(x)。接收方得解碼方法是：將T(x)除以G(x)，如果余數(shù)為0，則說明傳輸中無錯誤發(fā)生，否則說明傳輸有錯誤。（2） CRC的基本實現(xiàn)以CRC-8（X8+X2+X1為例，它由多個移位寄存器和加法器組成。編碼、解碼前將各寄存器初始化為0，輸入位作為最右邊異或操作的輸入之一。三個寄存器上的移位操作同時進行，均為左移一位，左邊的寄存器的最左一位作為三個異或操作的輸入之一。每次移位時，最右邊的寄存

9、器內(nèi)容作為中間異或操作的輸入之一，中間的寄存器的內(nèi)容作為最左邊異或操作輸入之一，各個異或操作的結(jié)果作為與它左邊那個寄存器的移入位。重復以上步驟，每輸入一位就做一次移位操作，直到輸入了所有要計算的數(shù)據(jù)為止。這時，這個寄存器組中的數(shù)據(jù)就是CRC-8的結(jié)果。CRC的工作原理是：CRC在發(fā)送端編碼和接收端校驗時，都可以利用事先約定的生成多項式G(x)來得到，K位要發(fā)送的信息位可對應于一個(k-1)次多項式K(x),r位冗余位對應于一個（r-1）次多項式R(x)，由r位冗余位組成的n=k+r位碼對應于一個(n-1)次多項式T(x)=Xr*K(x)+R(x)。（3） 循環(huán)冗余校驗碼的特點CRC校驗碼的檢錯

10、能力很強,不僅能檢查出離散錯誤,還能檢查出突發(fā)錯誤.CRC校驗碼具有以下的檢錯能力：CRC校驗碼可檢測出所有單個錯誤，所有奇數(shù)位錯誤，所有雙位的錯誤，所有小于、等于校驗位長度的突發(fā)錯誤。4 課程設(shè)計分析1.填充幀頭部字段要完成一次幀封裝的過程，首先要完成的是幀頭部的裝入，這一過程只要將前導碼、定界符、目的地址、源地址、長度字段的相應數(shù)值按順序?qū)懭刖涂梢粤?。其中，長度字段的值即為要發(fā)送的數(shù)據(jù)的實際長度。有以下兩種方式來獲得長度字段的值。方法一：While(!in.eof()in.get(a);bufj=a;j+;方法二：infile.open(argv1,ios:binary);infile.s

11、eekg(0,ios:end);short length=(short)infile.tellg();file.put(char(length/256);file.put(char(length%256);2.填充數(shù)據(jù)字段在填充數(shù)據(jù)字段的過程中要注意的主要問題是數(shù)據(jù)字段的長度。802.3標準中規(guī)定了幀數(shù)據(jù)字段的最小長度為46B，最大長度為1500B。如果數(shù)據(jù)不足46B，則需要通過填充0來補足；若數(shù)據(jù)長度超過1500B，則將超過部分封裝入下一個幀進行發(fā)送。由于幀頭部分應該包括6B目的地址、6B源地址、2B長度字段以及4B幀校驗字段，因此幀頭部分長度為18B。前導碼與幀前定界符不計入幀頭長度中。那

12、么，Ethernet幀的最小長度為64B，最大長度為1518B。填充數(shù)據(jù)字段的代碼如下：if(len=1500) len=0;if(len46)for(i=len;i1;if(a) regs.val=0x8408;2.字節(jié)型算法數(shù)字通信系統(tǒng)一般是對一幀數(shù)據(jù)進行CRC校驗，而字節(jié)是幀的基本單位。最常用的是一種按字節(jié)查表的快速算法。該算法基于這樣一個事實：計算本字節(jié)后的CRC碼，等于上一字節(jié)CRC右移8位和本字節(jié)之和再與上一字節(jié)余式CRC碼的低8位左移8位相加后所求得的CRC碼。如果我們把8位二進制序列數(shù)的CRC全部計算出來，放在一個表里，那么編碼時只要從表中查找對應的值進行處理即可。算法如下：1

13、） 寄存器組初始化為全1。2） 寄存器組向右移動一個字節(jié)。3） 剛移出的那個字節(jié)與數(shù)據(jù)字節(jié)進行異或運算，得出一個指向值表的索引。4） 將索引所指的表值與寄存器組做異或運算。5） 數(shù)據(jù)指針加1，如果數(shù)據(jù)沒有全部處理完，則重復步驟2.6） 寄存器組取反，得到CRC，附加在數(shù)據(jù)之后。驗證算法：1） 寄存器組初始化為全1.2） 寄存器組向右移動一個字節(jié)。3） 剛移出的那個字節(jié)與數(shù)據(jù)字節(jié)進行異或運算，得出一個指向值表的索引。4） 將索引所指的表值與寄存器組做異或運算。5） 數(shù)據(jù)指針加1，如果數(shù)據(jù)沒有全部處理完，則重復步驟2.6） 判斷寄存器組的值是否等于“Magic Value”,若相等則通過，7） 否

14、則失敗。圖2程序流程圖： 圖3.CRC計算流程圖6 程序代碼#include#includevoid main(int argc,char*argv)if(argc!=3)cout請按以下格式輸入命令行: framer inputfile outputfileendl;return;fstream file;file.open(argv2,ios:in|ios:out|ios:binary|ios:trunc);for(int i=0;i7;i+) file.put(char(0xaa);file.put(char(0xab);long pCrcs=file.tellp();char dst_

15、addr6=char(0x00),char(0x00),char(0x80),char(0x1a),char(0xe6),char(0x65);file.write(dst_addr,sizeof(dst_addr);ifstream infile;infile.open(argv1,ios:binary);infile.seekg(0,ios:end);short length=(short)infile.tellg();file.put(char(length/256);file.put(char(length%256);char*data=new charlength;infile.se

16、ekg(0,ios:beg);infile.read(data,length);infile.close();delete data;if(length46) for(int i=0; i0;i=1)if(crc&0x80)crc=1;if(temp&i) crc=0x01;crc=0x07;elsecrc=1;if(temp&i) crc=0x01;file.seekg(pCrc,ios:beg);file.put(crc);while(!file.eof()unsigned char temp;file.get(temp);couthex(short)tempendl;cout幀文件 argv2封裝完成end