計算機網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計[模擬Ethernet幀發(fā)送過程]

1、 芙蓉學(xué)院 計算機網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計報告 課 題: 模擬Ethernet幀的發(fā)送過程 姓 名： 劉珊岑 學(xué) 號： 12170106 專業(yè)班級： 計算機科學(xué)與技術(shù) 1201 指導(dǎo)教師： 聶方彥 設(shè)計時間： 2015年上學(xué)期 地 點： E3-A501 評閱意見：評定成績： 指導(dǎo)老師簽名： 年 月 日目錄一、課程設(shè)計目的和意義1二、課程設(shè)計題目描述和要求1三、可行性分析21.技術(shù)可行性22.功能分析2四、幀結(jié)構(gòu)分析2幀的介紹2五. Ethernet幀的發(fā)送與接收流程41 .Ethernet幀的發(fā)送流程42 Ethernet幀的接收流程4六.詳細(xì)設(shè)計61.設(shè)計中的重點及難點62.核心代碼73.程序流程74.

2、完整程序8七.運行結(jié)果11八.總結(jié)13九.參考文獻(xiàn)13 一、課程設(shè)計目的和意義幀是在數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸與交換的基本單位。構(gòu)造幀對于理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的概念、協(xié)議執(zhí)行過程以及網(wǎng)絡(luò)問題處理的一般方法具有重要的意義。本次課程設(shè)計的目的是應(yīng)用數(shù)據(jù)鏈路層與介質(zhì)訪問控制層的知識，根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層的基本原理，通過構(gòu)造一個具體的Ethernet幀，從而深入理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基本概念與網(wǎng)絡(luò)問題處理的一般方法。二、課程設(shè)計題目描述和要求題目：編寫程序模擬Ethernet結(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送流程設(shè)計要求：（1）用兩個線程a，b來模擬Ethernet上的兩臺主機。（2）用一個雙字類型變量Bus來模擬總線（將其初始化為“/0”，并且

3、總線等于“/0”時表示總線空閑）。（3）兩個子線程向總線發(fā)送自己的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)用該線程的線程信號進(jìn)行模擬，發(fā)送數(shù)據(jù)用線程號和Bus的“或”操作進(jìn)行模擬（即Bus=Bus|ID，ID為該線程的線程號）。（4）每臺主機須向總線成功發(fā)送10次數(shù)據(jù)，如果其中某次數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，則該線程結(jié)束。（5）發(fā)送流程須遵循CSMA/CD。隨機延遲算法中的沖突窗口取0.005。在數(shù)據(jù)發(fā)送成功（即Bus=ID）后，報告“ID send success”，產(chǎn)生沖突（即Bus！=ID）后，報告“ID send collision”，發(fā)送失?。礇_突計數(shù)器值為0）后報告“ID send failure”。隨著主機發(fā)送成功次數(shù)的

4、增加，報告其已發(fā)送成功的次數(shù)，如“主機A發(fā)送成功次數(shù)=3”。 三、可行性分析1.技術(shù)可行性 技術(shù)可行性分析包括：風(fēng)險分析、資源分析和技術(shù)分析。風(fēng)險分析的任務(wù)是，在給定的約束條件下，判斷能否設(shè)計并實現(xiàn)系統(tǒng)所需功能和性能。資源分析的任務(wù)是，論證是否具有系統(tǒng)開發(fā)所需的各類人員（管理人員和各類專業(yè)技術(shù)人員）、軟件、硬件資源和工作環(huán)境等。技術(shù)分析的任務(wù)是，論證當(dāng)前的科學(xué)技術(shù)是否支持系統(tǒng)開發(fā)的全過程。其中最主要的是分析技術(shù)條件是否能順利完成開發(fā)工作，硬、軟件能否滿足開發(fā)者的需要等。2.功能分析基本功能1.在一臺計算機上實現(xiàn),用多個程序或線程來模擬多個計算機2.使用一個共享數(shù)據(jù)區(qū)來模擬總線3.模擬實現(xiàn)載波監(jiān)

5、聽的過程 4. 模擬實現(xiàn)發(fā)生沖突的過程和沖突的處理機制四、幀結(jié)構(gòu)分析幀的介紹術(shù)語“幀”來源于串行線路上的通信。其中，發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)的前后各添加特殊的字符，使它們成為一個幀。Ethernet從某種程序上可以被看作是機器這間的數(shù)據(jù)鏈路層連接。首先我們來認(rèn)識一下Ethernet幀結(jié)構(gòu)，Ethernet V2.0規(guī)范和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)中的Ethernet幀結(jié)構(gòu)有一些差別，這里我們按802.3標(biāo)準(zhǔn)的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論，圖一給出了Ethernet幀結(jié)構(gòu)圖。前導(dǎo)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)圖一 Ethernet幀結(jié)

6、構(gòu)如圖一所示，802.3標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet幀結(jié)構(gòu)由6部分組成。(1)前導(dǎo)碼與幀前定界符字段前導(dǎo)碼由56位(7B)的1010101101010位序列組成。幀前定界符可以視為前導(dǎo)碼的延續(xù)。1B的幀前定界符結(jié)構(gòu)為10101011。如果將前導(dǎo)碼與幀定界符一起看，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(dǎo)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)與法制地址(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。l 在Ethernet幀中，目的地址和法制地址字段長度可以是

7、2B或6B。目前的Ethernet都使用6B(即48位)長度的地址。l Ethernet幀的目的地址可以是單播地址(unicast address)、多播地址(multicast address)與廣播地址(broadcast address)，目的地址的第一位為0表示單播地址，為1表示多播地址，目的地址為全1表示廣播地址。(3)長度字段8023標(biāo)準(zhǔn)中的幀用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)點能夠有足夠的時間檢測到?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(yīng)將數(shù)據(jù)字段

8、填充至46B。填充字符是任意的，不計入長度字段值中。(5)檢驗字段幀校驗字段(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+1 某些幀結(jié)構(gòu)中還會包括幀類型字段，用來識別些帖所承載的數(shù)據(jù)的類型。當(dāng)一個幀到達(dá)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(jìn)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。五. Ethernet幀的發(fā)送與接收流程1 .Ethernet幀的發(fā)送流程1）載波偵聽過程。Ethernet中

9、每個結(jié)點利用總線發(fā)送數(shù)據(jù)，總線是每個結(jié)點共享的公共傳輸介質(zhì)。所以結(jié)點在發(fā)送一個幀前，必須偵聽總線是否空閑。由于Ethernet的數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼方式，所以可以通過判斷總線電平是否跳變來確定總線是否空閑。若總線空閑，就可以啟動發(fā)送，否則繼續(xù)偵聽。2）沖突檢測。在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，可能會產(chǎn)生沖突（沖突是指總線上同時出現(xiàn)兩個或兩個以上的發(fā)送信號，他們疊加后的信號波形與任何發(fā)送結(jié)點的輸出波形都不相同）。因為可能有多個主機都在偵聽總線，當(dāng)它們偵聽到總線空閑時，就會往總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。所以在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，也應(yīng)該進(jìn)行沖突檢測，只要發(fā)現(xiàn)沖突就應(yīng)該立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)。3）隨即延遲后重發(fā)。在檢測到?jīng)_突、停止發(fā)送

10、后，結(jié)點進(jìn)行隨機延遲后重發(fā)。若發(fā)16次后還沒成功，則宣告發(fā)送失敗，取消該幀的發(fā)送。隨機延遲的算法一般采用截斷的二進(jìn)制指數(shù)退避算法。當(dāng)出現(xiàn)線路沖突時，如果沖突的各站點都采用同樣的退避間隔時間，則很容易產(chǎn)生二次、三次的碰撞。因此，要求各個站點的退避間隔時間具有差異性。這要求通過退避算法來實現(xiàn)。當(dāng)一個站點發(fā)現(xiàn)線路忙時，要等待一個延時時間M，然后再進(jìn)行偵聽工作。延時時間M由以下算法決定：M=2k*R*a。其中a為沖突窗口值（沖突窗口為總線最大長度和電磁波在介質(zhì)中傳播速度比值的2倍），R為隨機數(shù)，k的取值為k=min（n,16）,n為該幀已被發(fā)送的次數(shù)。圖1給出了Ethernet幀的發(fā)送流程。2. Et

11、hernet幀的接收流程幀的接收流程大致可以分為以下三個步驟：1）檢查是否發(fā)生沖突，若發(fā)生沖突，則丟棄該幀；若沒有沖突，進(jìn)入下一步。2）檢查該幀的目的地址看是否可以接收該幀，若可以接收，則進(jìn)入下一步。3）檢查CRC檢驗和LLC數(shù)據(jù)長度。若都正確，接受該幀，否則丟棄。YNYY發(fā)送幀裝配幀總線忙啟動發(fā)送沖突？發(fā)送完成？發(fā)送成功沖突加強沖突次數(shù)加1等待后退延遲時間計算后退延遲發(fā)送失敗沖突次數(shù)>16?YNNN圖1 Ethernet幀的發(fā)送流程六.詳細(xì)設(shè)計1.設(shè)計中的重點及難點1）模擬沖突過程，在這個程序中不要使用任何線程同步機制。2）若程序中不能模擬出沖突，可以在某些地方加入延時。2.核心代碼i

12、nt i=0; /發(fā)送成功次數(shù)int CollisionCounter=16; /沖突計數(shù)器初始值為16double CollisionWindow=0.005; /沖突窗口值取值0.005int randNum=rand()%3; /隨機數(shù)loop: if(Bus=0) /總線空閑 Bus=Bus|ID1; /模擬發(fā)送包 Sleep(12); if (Bus=ID1) /無沖突 printf("%d Send Successnn",ID1); /發(fā)送成功 Bus=0; /內(nèi)存清零 CollisionCounter=16; /復(fù)原沖突計數(shù)器 Sleep(rand()%10)

13、; /隨即延時 i+; printf("主機a發(fā)送成功次數(shù)=%dnn",i); if(i<10) goto loop; /發(fā)送次數(shù)不夠10次，開始下一次發(fā)送 else printf("%d Send Collisionnn",ID1); /發(fā)生沖突 CollisionCounter- ; Bus=0 ; if(CollisionCounter>0) /隨即延遲重發(fā)，延遲算法用截斷的二進(jìn)制指數(shù)退避算法 Sleep(randNum*(int)pow(2,(CollisionCounter>10)?10: CollisionCounter)*

14、CollisionWindow); goto loop; /下一次嘗試發(fā)送 else printf("%d Send Failurenn", ID1 ); else /總線忙 goto loop; /繼續(xù)載波偵聽 return 0;3.程序流程圖2 主程序流程圖開始啟動線程A啟動線程B結(jié)束4.完整程序/注意：編譯時需設(shè)置工程屬性（菜單中工程設(shè)置使用MFC作為靜態(tài)鏈接庫）#include "cmath" /#include "afxwin.h" /#include <iostream> /#include <conio

15、.h> /CWinThread * thread1, * thread2; /定義2個線程對象，分別代表a，bDWORD ID1, ID2, Bus = 0; /2線程ID，總線標(biāo)志UINT aThread(LPVOID pParam); /線程a，代表主機aUINT bThread(LPVOID pParam); /線程b，代表主機busing namespace std;int main(int argc, char* argv, char * envp)int nRetCode = 0;thread1 = :AfxBeginThread(aThread, NULL); /啟動線程a

16、ID1 = thread1->m_nThreadID;thread2 = :AfxBeginThread(bThread, NULL); /啟動線程bID2 = thread2->m_nThreadID;getch(); /主線程等待，按任意鍵退出程序return nRetCode;UINT aThread(LPVOID pParam)int i=0; /發(fā)送成功次數(shù)int CollisionCounter=2; /沖突計數(shù)器初始值為16double CollisionWindow=0.000001; /沖突窗口值取值0.005int randNum=rand()%3; /隨機數(shù)w

17、hile(1)if(Bus=0) /總線空閑Bus=Bus|ID1; /模擬發(fā)送包Sleep(12);if (Bus=ID1) /無沖突 printf("%d Send Successnn",ID1); /發(fā)送成功 Bus=0; /內(nèi)存清零 CollisionCounter=2; /復(fù)原沖突計數(shù)器 Sleep(rand()%10); /隨即延時 i+; printf("主機a發(fā)送成功次數(shù)=%dnn",i); if(i>=10) break;/發(fā)送次數(shù)不夠10次，開始下一次發(fā)送 elseprintf("%d Send Collisionnn

18、",ID1); /發(fā)生沖突 CollisionCounter-; /沖突次數(shù)加1 Bus=0; /沖突加強 停止發(fā)送數(shù)據(jù) 等待下面延時if(CollisionCounter>0) /隨即延遲重發(fā)，延遲算法用截斷的二進(jìn)制指數(shù)退避算法Sleep(randNum*(int)pow(2,(CollisionCounter>10)?10: CollisionCounter)*CollisionWindow); continue; /下一次嘗試發(fā)送elseprintf("%d Send Failurenn",ID1); return 0;UINT bThread(

19、LPVOID pParam)int i=0; /發(fā)送成功次數(shù)int CollisionCounter=16; /沖突計數(shù)器初始值為16double CollisionWindow=0.005; /沖突窗口值取值0.005int randNum=rand()%3; /隨機數(shù)while(1)if(Bus=0) /總線空閑 Bus=Bus|ID2; /模擬發(fā)送包Sleep(12);if (Bus=ID2) /無沖突Sleep(rand()%10); printf("%d Send Successnn",ID2); /發(fā)送成功 Bus=0; /內(nèi)存清零 CollisionCounter=16; /復(fù)原沖突計數(shù)器 Sleep(rand()%10); /隨即延時 i+; printf("主機b發(fā)送成功次數(shù)=%dnn",i); if(i>=10) break;/發(fā)送次數(shù)不夠10次，開始下一次發(fā)送 elseprintf("%d Send Collisionnn",ID2); /發(fā)生沖突 CollisionCounter-; /沖突次數(shù)加1 Bus=0; /沖突加強 停止發(fā)送數(shù)據(jù) 等待下面延時if(Collision