计算机网络课程设计-模拟Ethernet帧的发送过程.doc

武汉理工大学计算机科学与技术学院计算机网络课程设计学 号： 课 程 设 计课程名称计算机网络论文题目模拟Ethernet帧的发送过程学 院计算机科学与技术专 业软件工程班 级中国好学长系列姓 名小灰灰的爸爸指导教师刘东飞20132014学年 第2学期 课程设计任务书学生姓名： 小灰灰的爸爸 专业班级：中国好学长系列 指导教师： 刘东飞 工作单位： 计算机学院 题目二: 用程序来模拟Ethernet结点的数据发送流程 初始条件：（1）学习相关知识（2）C/C+/VC/VB/JAVA语言（3）PC机一台要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）编写程序模拟Ethernet节点的数据发送流程。具体要求：1）用两个线程a和b来模拟Ethernet上的两台主机。2）用一个双字类型变量Bus来模拟总线（将其初始化为“0”，并且总线等于“0”时表示总线空闲）。3）两个子线程向总线发送自己的数据。数据用该线程的线程号进行模拟，发送数据用线程号和Bus的“或”操作进行模拟（即BusBus|ID，ID为该线程的线程号）。4）每台主机需向总线上成功发送10次数据，如果其中某次数据发送失败，则该线程结束。5）发送流程必须遵循CSMA/CD。随即延迟算法中的冲突窗口取0.005。在数据发送成功（即BusID）后，报告“ID send success”，产生冲突（即Bus！ID）后报告“ID send conllision”，发送失败（即冲突计数值为0）后报告“ID send failure”。随着主机发送成功次数增加，报告其已发送成功的次数，如“主机A发送成功数3”。时间安排：第一、二天：查阅资料，学习算法第三、四天：编程调试第五天：书写报告指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录1、课程设计目的和意义32、相关知识33、帧结构分析44、Ethernet帧的发送接收流程 5 4.1 Ethernet帧的发送流程 54.2 Ethernet帧的接收流程 55、详细设计 65.1 设计中的重点及难点65.2 核心代码65.3 程序流程85.4 完整程序86、运行结果127、总结138、参考文献131、课程设计目的和意义局域网技术发展十分迅速，目前已在企业、机关、学校的信息管理与信息服务领域中得到了广泛的应用。在早期，人们将局域网归为一种数据通信网络。随着局域网体系结构和协议标准研究的进展、操作系统的发展以及光纤技术的引入，局域网技术得到了快速发展。目前Ethernet是应用最广泛的局域网。因此，学习Ethernet技术对深入掌握局域网知识是非常重要的。帧是在数据链路层数据进行传输与交换的基本单位。构造帧对于理解网络协议的概念、协议执行过程以及网络问题处理的一般方法具有重要的意义。本次课程设计的目的是应用数据链路层与介质访问控制层的知识，根据数据链路层的基本原理，通过构造一个具体的Ethernet帧，从而深入理解网络协议的基本概念与网络问题处理的一般方法。2、可行性研究2.1技术可行性技术可行性分析包括：风险分析、资源分析和技术分析。风险分析的任务是，在给定的约束条件下，判断能否设计并实现系统所需功能和性能。资源分析的任务是，论证是否具有系统开发所需的各类人员（管理人员和各类专业技术人员）、软件、硬件资源和工作环境等。技术分析的任务是，论证当前的科学技术是否支持系统开发的全过程。其中最主要的是分析技术条件是否能顺利完成开发工作，硬、软件能否满足开发者的需要等。2. 2功能分析基本功能（1）在一台计算机上实现,用多个程序或线程来模拟多个计算机（2）使用一个共享数据区来模拟总线（3）模拟实现载波监听的过程（4）模拟实现发生冲突的过程和冲突的处理机制3、帧封装的过程3.1帧介绍术语“帧”来源于串行线路上的通信，表示的是点对点信道的数据链路层的协议数据单元。Ethernet从某种程序上可以被看作是机器这间的数据链路层连接，数据链路层把网络层交下来的数据构成帧发送到链路上。其中，发送者在发送数据的前后各添加特殊的字符，使它们成为一个帧。3.2填充帧头部字段要完成一次帧封装的过程，首先要完成的就是帧头部的装入，这一过程非常简单，只要将前导码、定界符、目的地址、源地址、长度字段的响应数值按顺序写入就可以了。其中，长度字段的值即为要发送的数据的实际长度。3.3填充数据字段在填充数据字段的过程中要注意的主要问题是数据字段的长度。802.3标准中规定了帧数据字段的最小长度为46B，最大长度为1500B。如果数据不足46B，则需要通过填充0来补足；如数据长度超过1500B，则将超过部分封装入下一个帧进行发送。由于帧头部分应该包括6B目的地址、6B源地址字段、2B长度字段以及4B帧校验字段，因此帧头部分长度为18B。前导码与帧前定界符不计入帧头部长度中。那么，Ethernet帧的最小长度为64B，最大长度为1518B。3.4检验字段帧校验字段(FCS)采用32位的CRC校验。校验的范围包括目的地址字段、源地址字段、长度字段、LLC数据字段。此处，为了简便起见，采用8位的CRC校验。CRC校验的生成多项式为：G(x)= x8+ x2+x+1 某些帧结构中还会包括帧类型字段，用来识别些帖所承载的数据的类型。当一个帧到达指定的计算机时，操作系统根据帧类型决定用哪个协议软件模块对它进行处理。自识别帧的主要优点是，可以在同一物理网络中使用多个协议而互不干扰。4、 Ethernet帧的发送与接收流程4.1 Ethernet帧的发送流程（1）载波侦听过程。Ethernet中每个结点利用总线发送数据，总线是每个结点共享的公共传输介质。所以结点在发送一个帧前，必须侦听总线是否空闲。由于Ethernet的数据采用曼彻斯特编码方式，所以可以通过判断总线电平是否跳变来确定总线是否空闲。若总线空闲，就可以启动发送，否则继续侦听。（2）冲突检测。在数据发送过程中，可能会产生冲突（冲突是指总线上同时出现两个或两个以上的发送信号，他们叠加后的信号波形与任何发送结点的输出波形都不相同）。因为可能有多个主机都在侦听总线，当它们侦听到总线空闲时，就会往总线上发送数据。所以在发送数据的过程中，也应该进行冲突检测，只要发现冲突就应该立即停止发送数据。（3）随即延迟后重发。在检测到冲突、停止发送后，结点进行随机延迟后重发。若发16次后还没成功，则宣告发送失败，取消该帧的发送。随机延迟的算法一般采用截断的二进制指数退避算法。当出现线路冲突时，如果冲突的各站点都采用同样的退避间隔时间，则很容易产生二次、三次的碰撞。因此，要求各个站点的退避间隔时间具有差异性。这要求通过退避算法来实现。当一个站点发现线路忙时，要等待一个延时时间M，然后再进行侦听工作。延时时间M由以下算法决定：M=2k*R*a。其中a为冲突窗口值（冲突窗口为总线最大长度和电磁波在介质中传播速度比值的2倍），R为随机数，k的取值为k=min（n,16）,n为该帧已被发送的次数。图1给出了Ethernet帧的发送流程。4.2 Ethernet帧的接收流程帧的接收流程大致可以分为以下三个步骤：1）检查是否发生冲突，若发生冲突，则丢弃该帧；若没有冲突，进入下一步。2）检查该帧的目的地址看是否可以接收该帧，若可以接收，则进入下一步。3）检查CRC检验和LLC数据长度。若都正确，接受该帧，否则丢弃。YNYY发送帧装配帧总线忙启动发送冲突？发送完成？发送成功冲突加强冲突次数加1等待后退延迟时间计算后退延迟发送失败冲突次数16?YNNN图1 Ethernet帧的发送流程5、详细设计5.1设计中的重点及难点1）模拟冲突过程，在这个程序中不要使用任何线程同步机制。2）若程序中不能模拟出冲突，可以在某些地方加入延时。5.2核心代码int i=0; /发送成功次数int CollisionCounter=16; /冲突计数器初始值为16double CollisionWindow=0.005; /冲突窗口值取值0.005int randNum=rand()%3; /随机数loop: if(Bus=0) /总线空闲 Bus=Bus|ID1; /模拟发送包 Sleep(12); if (Bus=ID1) /无冲突 printf(%d Send Successnn,ID1); /发送成功 Bus=0; /内存清零 CollisionCounter=16; /复原冲突计数器 Sleep(rand()%10); /随即延时 i+; printf(主机a发送成功次数=%dnn,i); if(i0) /随即延迟重发，延迟算法用截断的二进制指数退避算法 Sleep(randNum*(int)pow(2,(CollisionCounter10)?10: CollisionCounter)*CollisionWindow); goto loop; /下一次尝试发送 else printf(%d Send Failurenn, ID1 ); else /总线忙 goto loop; /继续载波侦听 return 0;5.3程序流程开始启动线程A启动线程B结束图2 主程序流程图5.4完整程序#include cmath#include afxwin.h#include #include CWinThread * thread1, * thread2; /定义2个线程对象，分别代表a，bDWORD ID1, ID2, Bus = 0; /2线程ID，总线标志UINT aThread(LPVOID pParam); /线程a，代表主机aUINT bThread(LPVOID pParam); /线程b，代表主机busing namespace std;int main(int argc, char* argv, char * envp)int nRetCode = 0;thread1 = :AfxBeginThread(aThread, NULL); /启动线程aID1 = thread1-m_nThreadID;thread2 = :AfxBeginThread(bThread, NULL); /启动线程bID2 = thread2-m_nThreadID;getch(); /主线程等待，按任意键退出程序return nRetCode;UINT aThread(LPVOID pParam)int i=0; /发送成功次数int CollisionCounter=2; /冲突计数器初始值为16double CollisionWindow=0.000001; /冲突窗口值取值0.005int randNum=rand()%3; /随机数while(1)if(Bus=0) /总线空闲Bus=Bus|ID1; /模拟发送包Sleep(12);if (Bus=ID1) /无冲突 printf(%d Send Successnn,ID1); /发送成功 Bus=0; /内存清零 CollisionCounter=2; /复原冲突计数器 Sleep(rand()%10); /随即延时 i+; printf(主机a发送成功次数=%dnn,i); if(i=10) break;/发送次数不够10次，开始下一次发送 elseprintf(%d Send Collisionnn,ID1); /发生冲突 CollisionCounter-; /冲突次数加1 Bus=0; /冲突加强 停止发送数据 等待下面延时if(CollisionCounter0) /随即延迟重发，延迟算法用截断的二进制指数退避算法Sleep(randNum*(int)pow(2,(CollisionCounter10)?10: CollisionCounter)*CollisionWindow); continue; /下一次尝试发送elseprintf(%d Send Failurenn,ID1); return 0;UINT bThread(LPVOID pParam)int i=0; /发送成功次数int CollisionCounter=16; /冲突计数器初始值为16double CollisionWindow=0.005; /冲突窗口值取值0.005int randNum=rand()%3; /随机数while(1)if(Bus=0) /总线空闲 Bus=Bus|ID2; /模拟发送包Sleep(12);if (Bus=ID2) /无冲突Sleep(rand()%10); printf(%d Send Successnn,ID2); /发送成功 Bus=0; /内存清零 CollisionCounter=16; /复原冲突计数器 Sleep(rand()%10); /随即延时 i+; printf(主机b发送成功次数=%dnn,i); if(i=10) break;/发送次数不够10次，开始下一次发送 elseprintf(%d Send Collisionnn,ID2); /发生冲突 CollisionCounter-; /冲突次数加1 Bus=0; /冲突加强 停止发送数据 等待下面延时if(CollisionCounter0) /随即延迟重发，延迟算法用截断的二进制指数退避算法Sleep(randNum*(int)pow(2,(CollisionCounter10)?10: CollisionCounter)*CollisionWindow); continue;