课程设计报告-滑动窗口协议仿真

滁州学院 课程设计报告 课程名称 课程名称 计算机网络 设计题目设计题目 滑动窗口协议仿真 系系 别 别 计算机与信息工程学院 专专 业 业 计算机科学与技术 组组 别 别 第五组 起止日期起止日期 2011 年 11 月 24 日 2011 年 12 月 7 日 指导教师指导教师 赵国柱 计算机与信息工程学院二计算机与信息工程学院二 一一年制一一年制 课程设计题目滑动窗口协议仿真 组长赵育坤学号 2011220135 班级计专 1 班 系别计算机与信息 工程学院 专业计算机科学与技术 组员闫婷 张侠 余静 于东锋 张飞 赵育坤 指导教师赵国柱 课程设计目的 掌握滑动窗口协议的基本原理 并能够用所学计算机高级 语言进行编程模拟 课程设计所需环境开发环境 VC 运行环境 Windows 操作系统 课程设计任务要求 1 程序按照滑动窗口协议实现端对端的数据传送 包括协议的各 种策略 如包丢失 停等应答 超时等都应有所仿真实现 2 显示数据传送过程中的各项具体数据 双方帧的个数变化 帧 序号 发送和接受速度 暂停或重传提示等 课程设计工作进度计划 序号起止日期工 作 内 容分工情况 1 11 月 24 号 11 月 27 号 了解工作要求 明确分工 内容 网上查阅相关资料 所有组员共同参与 2 11 月 28 号 11 月 30 号 sender 队列模块的编写 由闫婷完成 3 12 月 1 号 12 月 4 号 sender 主函数的编写由赵育坤 张飞完成 4 11 月 28 号 11 月 30 号 receiver 队列模块的编写由张侠完成 5 12 月 1 号 12 月 4 号 receiver 主函数的编写由余静 于东锋完成 6 12 月 5 号 12 月 7 号 最后汇总 调试由赵育坤 于东锋完成 指导教师签字 年 月 日 教研室审核意见 课程设计任务书课程设计任务书 一一 引言引言 二二 基本原理基本原理 2 1 窗口机制 2 2 1bit 滑动窗口协议 2 3 后退 N 协议 2 4 选择重传协议 2 5 流量控制 三三 需求分析需求分析 3 1 课程设计题目 3 2 开发环境 3 3 运行环境 3 4 课程设计任务及要求 3 5 界面要求 3 6 网络接口要求 四四 详细设计详细设计 4 1 结构体的定义 4 2 发送方的主要函数 4 3 接受方的主要函数 五五 源代码源代码 5 1 发送方的主要代码 5 2 接收方的主要代码 六六 调试与操作说明调试与操作说明 致谢致谢 参考文献参考文献 教研室主任签字 年 月 日 课程设计的主要内容课程设计的主要内容 1 1 引言引言 早期的网络通信中 通信双方不会考虑网络的拥挤情况直接发送数据 由于大家 不知道网络拥塞状况 一起发送数据 导致中间结点阻塞掉包 谁也发不了数据 在数据传输过程中 我们总是希望数据传输的更快一些 但如果发送方把数据发送的过 快 接收方就可能来不及接收 这就造成数据的丢失 因此就有了滑动窗口机制来解决 这些问题 早期我们使用的是 1bit 滑动窗口协议 一次只发送一个帧 等收到ack 确认才发下一个帧 这样对信道的利用率太低了 因此提出了一种采用累积确认的连 续 ARQ 协议 接收方不必对收到的帧逐个发送 ack 确认 而是收到几个帧后 对按序到达 的最后一个帧发送 ack 确认 同 1bit 滑动窗口协议相比 大大减少了 ack 数量 并消除了 延迟 ack 对传输效率的影响 但是 这会产生一个新的问题 如果发送方发送了 5 个帧 而中间的第 3 个帧丢失了 这时接收方只能对前 2 个帧发出确认 发送方无法知道后面三 个帧的下落 只好把后面的 3 个帧再重传一次 这就是回退 N 协议 为了解决这个问题 又提出了选择重传协议 当接收方发现某 帧出错后 继续 接受后面送来的正确的帧 只是不交付它们 存放在自己的缓冲区中 并且要求发送方重传出错的那一帧 一 旦收到重传来的帧后 就可以 将存于缓冲区中的其余帧一并按正确的顺序 递交给主 机 2 2 基本原理基本原理 2 1 窗口机制 滑动窗口协议 的基本原理就是在任意时刻 发送方都维持了一个连续的允许发送的帧 的序号 称为发送窗口 同时 接收方也维持了一个连续的允许接收的帧的序号 称为接 收窗口 发送窗口和接收窗口的序号的上下界不一定要一样 甚至大小也可以不同 不 同的滑动窗口协议窗口大小一般不同 发送方窗口内的序号代表了那些已经被发送 但 是还没有被确认的帧 或者是那些可以被发送的帧 接受方为其窗口内的每一个序号保留 了一个缓冲区 与每个缓冲区相关联的还有一位 用来指明该缓冲区是满的还是空的 若从滑动窗口的观点来统一看待1 比特滑动窗口 后退 n 及选择重传三种协议 它 们的差别仅在于各自窗口尺寸的大小不同而已 1 比特滑动窗口协议 发送窗口 1 接 收窗口 1 后退 N 协议 发送窗口 1 接收窗口 1 选择重传协议 发送窗口 1 接收 窗口 1 2 2 1bit 滑动窗口协议 当发送窗口和接收窗口的大小固定为1 时 滑动窗口协议退化为停等协议 stop and wait 该协议规定发送方每发送一帧后就要停下来 等待接收方已正确 接收的确认 acknowledgement 返回后才能继续发送下一帧 由于接收方需要判断接收 到的帧是新发的帧还是重新发送的帧 因此发送方要为每一个帧加一个序号 由于停等协 议规定只有一帧完全发送成功后才能发送新的帧 因而只用一比特来编号就够了 其发送 方和接收方运行的流程图如图所示 Ack到达 对 不对 发送方 计时器超时 0 发送帧号 从主机取报文 装配帧 seq 发送帧号 发送并设置计时器 等待 Ack发送 序号 1 发送帧号 接收方 等待 0 期待帧号 收到帧序号 期待序号 检验和检查 恢复报文交付主机 1 期待帧号 确认帧号 Ack seq 2 3 后退 N 协议 由于停等协议要为每一个帧进行确认后才继续发送下一帧 大大降低了信道利用率 因此又提出了后退 n 协议 后退 n 协议中 发送方在发完一个数据帧后 不停下来等 待应答帧 而是连续发送若干个数据帧 即使在连续发送过程中收到了接收方发来的应 答帧 也可以继续发送 且发送方在每发送完一个数据帧时都要设置超时定时器 只要 在所设置的超时时间内仍收到确认帧 就要重发相应的数据帧 如 当发送方发送了N 个帧后 若发现该 N 帧的前一个帧在计时器超时后仍未返回其确认信息 则该帧被判 为出错或丢失 此时发送方就不得不重新发送出错帧及其后的N 帧 从这里不难看出 后退 n 协议一方面因连续发送数据帧而提高了效率 但另一方 面 在重传时又必须把原来已正确传送过的数据帧进行重传 仅因这些数据帧之前有一 个数据帧出了错 这种做法又使传送效率降低 由此可见 若传输信道的传输质量很 差因而误码率较大时 连续测协议不一定优于停止等待协议 此协议中的发送窗口的大 小为 k 接收窗口仍是 1 2 4 选择重传协议 在后退 n 协议中 接收方若发现错误帧就不再接收后续的帧 即使是正确到达的帧 这显然是一种浪费 另一种效率更高的策略是当接收方发现某帧出错后 其后继续送来的 正确的帧虽然不能立即递交给接收方的高层 但接收方仍可收下来 存放在一个缓冲区中 同时要求发送方重新传送出错的那一帧 一旦收到重新传来的帧后 就可以原已存于缓冲 区中的其余帧一并按正确的顺序递交高层 这种方法称为选择重发 SELECTICE REPEAT 其工作过程如图所示 显然 选择重发减少了浪费 但要求接收方有足够大的缓冲区空间 2 5 流量控制 TCP 的特点之一是提供体积可变的滑动窗口机制 支持端到端的流量控制 TCP 的窗口以字节为单位进行调整 以适应接收方的处理能力 处理过程如下 1 TCP 连接阶段 双方协商窗口尺寸 同时接收方预留数据缓存区 2 发送方根据协商的结果 发送符合窗口尺寸的数据字节流 并等待对方的确认 3 发送方根据确认信息 改变窗口的尺寸 增加或者减少发送未得到确认的字节流 中的字节数 调整过程包括 如果出现发送拥塞 发送窗口缩小为原来的一半 同时将 超时重传的时间间隔扩大一倍 4 滑动窗口机制为端到端设备间的数据传输提供了可靠的流量控制机制 然而 它 只能在源端设备和目的端设备起作用 当网络中间设备 例如路由器等 发生拥塞时 滑动窗口机制将不起作用 3 3 需需求求分分析析 3 1 课程设计题目 滑动窗口协议仿真 3 2 开发环境 Visual C 6 0 3 3 运行环境 Windows 操作系统 3 4 课程设计任务及要求 1 程序按照滑动窗口协议实现端对端的数据传送 包括协议的各种策略 如包丢失 停等应答 超时等都应有所仿真实现 2 显示数据传送过程中的各项具体数据 双方帧的个数变化 帧序号 发送和接受速 度 暂停或重传提示等 3 5 界面要求 此次课程设计要求的所有功能应可视 我们组主要是用 VC 编写的 运行在 DOS 环境 下 观察发送方 sender 发送数据包到接收方 receive 时 界面应显示出双方帧个数 的变化 帧序号 发送和接受速度 暂停或重传提示等 界面中必须动态显示数据帧的发 送和接受情况 包括在相应的窗口详细显示相应的 ACK 和其他收发数据帧后发出的消息 以表明模拟协议的正确运作过程 在各种情况下 接受方和发送方窗口应实时显示帧的发 送和接受情况 包括序号 时间戳 内容等 以及窗口的填充和清空情况 3 6 网络接口要求 两台机器或是一台机器中两个独立的线程模拟发送方与接受方 接收数据的端口初始应为 监听状态 发送方向接受方发起连接 成功后开始发送数据 4 4 概要设计概要设计 4 1 结构体定义如下 typedef enum data 1 ack nak tout frame kind 帧类型 typedef struct frame head frame kind kind 帧类型 unsigned int seq 序列号 unsigned int ack 确认号 unsigned char data MAX LENGTH 数据 Head typedef struct frame frame head head 帧头 unsigned int size 数据的大小 Frame typedef struct framenode 队列节点类型 frame head data struct framenode next Framenode typedef struct Framenode front 队头指针 Framenode rear 队尾指针 LinkQueue 4 2 发送方的主要函数实现 函数名 void InitLine LinkQueue q 功 能 初始化队列 函数名 void GetFrameFromHost LinkQueue q 功 能 从主机取数据帧 由于实验需要 假设主机有足够多的数据帧要发送 void DeLine LinkQueue q 功 能 数据帧发送完毕 收到确认帧 后 删除发送的数据帧 队头 函数名 int QueueEmpty LinkQueue q 功 能 判断队列是否为空 函数名 frame QueueFront LinkQueue q 功 能 取队头 首帧是准备好待发送的帧 函数名 int QueueLen LinkQueue q 功 能 计算队列长度 函数名 DWORD WINAPI ReceiveFun LPVOID pArg 功 能 发送线程调用的函数 pArg 参数存接收帧指针 函数名 void main 功 能 发送方主函数 首先和接收方 本机 127 0 0 1 建立 socket 连接并初始化发送 队列 然后重复下面的步骤 1 从主机取数据帧 2 发送数据帧 含超时重发 接收方未收到或未收到接收方 ack 和错误重发 收到接 收方 nak 3 设置超时计时器 这里是 5 秒 4 等待确认 调用 CreateThread 函数创建一个线程 超时则调用 TerminateThread 函 数结束线程并再次发送数据帧 收到数据帧则做后续处理 5 收到否认帧 nak 则再次发送数据帧 收到确认帧 ack 则发送下一个数据帧 6 如果发送的测试时间达到 20 秒 则提示是否继续测试 按 q 或 Q 退出测试 4 3 接收方的主要函数实现 函数名 void InitLine LinkQueue q 功 能 初始化队列 函数名 void GetFrameFromHost LinkQueue q 功 能 准备好接收帧的缓冲池 首帧是待接收的帧 尾帧是已经接收的待提交主机的帧 由于实验需要 假设数据帧送往主机是足够快的 int DeLine LinkQueue q frame pf unsigned int curw 功 能 将帧数据保存供提交主机 curw 是打开的待接收数据的窗口 函数名 int QueueEmpty LinkQueue q 功 能 判断队列是否为空 函数名 int QueueLen LinkQueue q 功 能 计算队列长度 函数名 void main 功 能 接收方主函数 首先和发送方建立 socket 连接并初始化初始化接收窗口 然后重 复下面的步骤 1 等待 接收数据帧 2 校验数据帧 假定产生随机结果 20 的概率校验错误或发送方发送数据帧超时 3 校验错误时 丢弃数据帧 并发送否认帧 nak 4 如果出现接收超时 假定未收到发送方发送的数据帧 则不给发送发任何回应 5 如果校验正确 首先判断是否是上一帧的重发 是上一帧的重发 则丢弃数据帧 并 发送确认帧 ack 是新的数据帧 则保存数据帧到当前接收窗口 并发送确认帧 ack 6 送数据帧至主机 5 5 源代码源代码 5 1 发送方的主要代码 void InitLine LinkQueue q q front q rear NULL int QueueEmpty LinkQueue q return q front NULL frame QueueFront LinkQueue q if QueueEmpty q printf 队列为空 n Sleep SLEEPMS exit 0 return q front head data int QueueLen LinkQueue q if QueueEmpty q return 0 int num 0 Framenode p q front while p NULL num p p next return num void GetFrameFromHost LinkQueue q if QueueLen q MAXPOOL printf data d 已准备好 n q front head data head seq return Framenode p Framenode malloc sizeof Framenode memset p head data head data 0 MAX LENGTH srand unsigned time NULL p head data size rand MAX LENGTH 帧大小随机生成 memset p head data head data 1 p head data size p head data head ack 1 p head data head kind data p head data head seq 0 p next NULL if QueueEmpty q q front q rear p 首帧是待发送的帧 else p head data head seq q rear head data head seq 1 MAXPOOL q rear next p q rear p printf 从主机得到 data d 放入缓存 n p head data head seq GetFrameFromHost q 由于实验需要 假设主机有足够多的数据帧要发送 void DeLine LinkQueue q Framenode p NULL if QueueEmpty q printf 队列为空 n else p q front q front p next if q rear p q rear NULL printf 发送 data d d 成功 从缓存中删除 n p head data head seq p head data size free p p NULL void main printf 建立连接 n Begin WORD wVersionRequested WSADATA wsaData 初始化 socket 库 wVersionRequested MAKEWORD 1 1 两个 byte 型合并成一个 WORD 型 int err WSAStartup wVersionRequested if err 0 Sleep SLEEPMS return if LOBYTE wsaData wVersion 1 HIBYTE wsaData wVersion 1 WSACleanup 中止 Windows Sockets 服务 WSAStartup 成对使用 Sleep SLEEPMS return socketClient socket AF INET SOCK STREAM 0 监听的套接字 SOCKADDR IN clientadd clientadd sin addr S un S addr inet addr 127 0 0 1 clientadd sin family AF INET clientadd sin port htons 7001 设置连接端的 IP 端口 if SOCKET ERROR connect socketClient SOCKADDR Sleep SLEEPMS goto Begin char getData RECEIVE MAX LENGTH memset getData 0 RECEIVE MAX LENGTH 清零 if recv socketClient getData RECEIVE MAX LENGTH 0 SOCKET ERROR 接受 printf 接受连接提示信息出错 n else printf s n getData char sendData SEND MAX LENGTH memset sendData 0 SEND MAX LENGTH strcpy sendData 你好接收方 我是发送方 if SOCKET ERROR send socketClient sendData strlen sendData 1 0 发送 printf 发送连接提示信息出错 n WSACleanup closesocket socketClient Sleep SLEEPMS return printf 按任意键继续 n while kbhit 等待开始 Sleep SLEEPMS printf 1bit 滑动窗口协议 发送方 发送窗口 1 n LinkQueue QueueQ InitLine frame packetsend data frame packetreceive ack nak unsigned long tick GetTickCount int ret 0 HANDLE hThread while 1 GetFrameFromHost 从主机取数据帧 memset Sleep SLEEPMS printf n packetsend QueueFront 取数据帧 ret send socketClient char 发送 data if ret SOCKET ERROR printf 发送数据出错 n continue printf 发送数据帧 data d d n packetsend head seq packetsend size const unsigned long timeOut 5 1000 设置超时计时器 5 秒超时 memset Sleep SLEEPMS printf n InitializeCriticalSection 初始化临界区 hThread CreateThread NULL 0 ReceiveFun LPVOID int r WaitForMultipleObjects 1 DeleteCriticalSection 与 InitializeCriticalSection 成对使用 if ret SOCKET ERROR ret SOCKET DISCONN printf 接受出错 Press any key to continue n while kbhit continue if r WSA WAIT TIMEOUT 判断超时 TerminateThread hThread 0 终止线程 printf 超时重传 data d d n packetsend head seq packetsend size else if packetsend head seq packetreceive head ack srand unsigned time NULL switch rand 5 假定产生随机结果 20 的概率超时 case 0 printf 接收方发送回复超时 ack 丢失模拟 d n packetsend head seq printf 超时重传 data d d n packetsend head seq packetsend size break default if packetreceive head kind ack printf 接受 ack 帧 ack d n packetreceive head ack DeLine else if packetreceive head kind nak printf 接受 nak 帧 nak d n packetsend head seq break else printf 帧序号出错 d n packetreceive head ack if GetTickCount tick 20 TIMEOUT 设置时间 20 秒 printf 持续时间 20s 按 q 退出 其他键继续 n int kbc getch if kbc q kbc Q break printf 按任意键退出 n while kbhit Sleep SLEEPMS printf 谢谢使用 n WSACleanup closesocket socketClient Sleep SLEEPMS DWORD WINAPI ReceiveFun LPVOID pArg EnterCriticalSection 进入 critical section frame packetreceive frame pArg ret recv socketClient char packetreceive sizeof packetreceive 0 LeaveCriticalSection 线程用毕 离开 critical section return ret 5 2 接收方的主要代码 void InitLine LinkQueue q q front q rear NULL int QueueEmpty LinkQueue q return q front NULL frame QueueFront LinkQueue q if QueueEmpty q printf 队列为空 n Sleep SLEEPMS exit 0 return q front head data int QueueLen LinkQueue q if QueueEmpty q return 0 int num 0 Framenode p q front while p NULL num p p next return num int GetFrameFromHost LinkQueue q if QueueLen q MAXPOOL printf 准备接受 data d n q front head data head seq return q front head data head seq Framenode p Framenode malloc sizeof Framenode memset p head data head data 0 MAX LENGTH p head data head ack 1 p head data head kind ack p head data head seq 0 p next NULL if QueueEmpty q q front q rear p else p head data head seq q rear head data head seq 1 MAXPOOL q rear next p q rear p return GetFrameFromHost q int DeLine LinkQueue q frame pf unsigned int curw 假设数据帧送往主机是足够快的 Framenode p NULL if curw q front head data head seq p q front else p q rear if p head data head ack 1 假定数据已经提交主机 printf 向主机交付 data d d 成功 n p head data head ack p head data size memset p head data head data 0 MAX LENGTH memcpy p head data head data pf head data pf size p head data size pf size p head data head ack pf head seq 保存发送帧序号 return p head data head seq frame QueueAnswer LinkQueue q unsigned int curw if curw q front head data head seq return q front head data else return q rear head data void main Begin WORD wVersionRequested WSADATA wsaData 初始化 socket 库 wVersionRequested MAKEWORD 1 1 两个 byte 型合并成一个 WORD 型 int err WSAStartup wVersionRequested 使用 sockets 之前要调用一次 if err 0 Sleep SLEEPMS return if LOBYTE wsaData wVersion 1 HIBYTE wsaData wVersion 1 WSACleanup 中止 Windows Sockets 服务 WSAStartup 成对使用 Sleep SLEEPMS return SOCKET socksrv socket AF INET SOCK STREAM 0 监听的套接字 SOCKADDR IN socketadd socketadd sin addr S un S addr htonl INADDR ANY 监听连接 socketadd sin family AF INET socketadd sin port htons 7001 设置端口 if SOCKET ERROR bind socksrv SOCKADDR WSACleanup Sleep SLEEPMS return if SOCKET ERROR listen socksrv 5 printf 监听出错 WSACleanup Sleep SLEEPMS return SOCKADDR IN sockclient int len sizeof SOCKADDR SOCKET sockconn accept socksrv SOCKADDR 建立连接的套节字 if INVALID SOCKET sockconn printf 建立连接出错 n WSACleanup Sleep SLEEPMS return char sendData SEND MAX LENGTH memset sendData 0 SEND MAX LENGTH sprintf sendData s 你好发送方 我是接受方 if SOCKET ERROR send sockconn sendData strlen sendData 1 0 printf 发送连接提示信息出错 n WSACleanup closesocket sockconn Sleep SLEEPMS return char getData RECEIVE MAX LENGTH memset getData 0 RECEIVE MAX LENGTH recv sockconn getData RECEIVE MAX LENGTH 0 printf s n getData printf 1bit 滑动窗口协议 接收方 接收窗口 1 n LinkQueue QueueQ InitLine frame packetreceive data frame packetsend ack nak int curw GetFrameFromHost 初始化接收窗口 int ret 0 while 1 memset Sleep SLEEPMS printf n ret recv sockconn char if ret SOCKET ERROR ret SOCKET DISCONN if ret SOCKET ERROR printf 连接出错 自动连接 n continue else printf 连接已断开 按 q 退出 其他键等待新的连接 n int kbc getch if kbc q kbc Q break else WSACleanup closesocket sockconn Sleep SLEEPMS goto Begin srand unsigned time NULL switch rand 5 假定产生随机结果 20 的概率校验错误或接收发送方超时 case 0 printf 接受数据帧 data d d 校验错误 丢弃 数据帧出错模拟 n packetreceive head seq packetreceive size memset memcpy packetsend head ack packetreceive head seq packetsend head seq curw packetsend head kind nak printf 发送否认帧 nak d n packetreceive head