计算机网络课程设计-帧封装.doc

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1、帧封装1.摘要：随着计算机技术的不断发展，计算机网络已经成为信息时代的重要特征，人们称它为信息高速公路。网络是计算机技术和通信技术的产物，是应社会对信息共享和信息传递的要求发展起来的，各国都在建设自己的信息高速公路。我国近年来计算机网络发展的速度也很快，在国防、电信、银行、广播等方面都有广泛的应用。我相信在不长的时间里，计算机网络一定会得到极大的发展，那时将全面进入信息时代。 在计算机的通信过程中，数据的传输都是以固定的格式进行传输，在计算机当中就是以二进制的数据进行传输。在网络通信中，“包”(Packet)和 “帧” (Frame)的概念相同，均指通信中的一个数据块。对于具体某种通信网络，一

2、般使用术语“帧”。一种网络的帧格式可能与另一种网络不同，通常使用术语“包”来指一般意义的帧。串行通信的数据格式有面向字符型的数据格式，如单同步、双同步、外同步；也有面向比特型的数据格式，这以帧为单位传输，每帧由六个部分组成，分别是标志区、地址区、控制区、信息区、帧校验区和标志区。设计目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.

3、设计任务内容和时间2.1设计任务内容 编写程序，根据给出的原始数据，组装一个IEEE802.3格式的帧（题目默认的输入文件为二进制原始数据（文件名为input1和input2）。1）要求程序为命令行程序。比如，可执行文件名为framer.exe,则命令行形式如下：framer inputfile outputfile其中，inputfile为原始数据文件，outputfile为输出结果。使用操作系统、语言、编程环境不限，但在报告中必须注明。2）输出：对应input1和input2的结果分别为output1和output2。2.2设计任务时间设计任务时间为一周。具体安排如下：第一、二天：查阅资料

4、，学习算法第三、四天：编程调试第五天：书写报告3.设计环境与工具操作系统：Windows 2000/XP/win 7 运行环境：VC4.实验设计相关知识帧：来源于串行线路上的通信。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。Ethernet从某种程度上可以被看作是机器之间的数据链路层连接。按802.3标准的帧结构如下表所示（802.3标准的Ethernet帧结构由7部分组成）802.3标准的帧结构前导码帧前定界符目的地址源地址长度字段数据字段校验字段7B1B(2/6B)(2/6B)(2B)(长度可变)(4B)其中，帧数据字段的最小长度为46B。如果帧的LLC数据少于46B，

5、则应将数据字段填充至46B。填充字符是任意的，不计入长度字段值中。在校验字段中，使用的是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。循环冗余编码(CRC)是一种重要的线性分组码、编码和解码方法，具有简单、检错和纠错能力强等特点，在通信领域广泛地用于实现差错控制。CRC校验码的检错能力很强，不仅能检查出离散错误，还能检查出突发错误。利用CRC进行检错的过程可简单描述如下：在发送端根据要传送的k位二进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的r位监督码(CRC码)，附在原始信息的后边，构成一个新的二进制码序列(共k+r位)，然后发送出去。在接收端，根据信息码和CRC码

6、之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。这个规则在差错控制理论中称为“生成多项式”。CRC的基本实现前导码帧前定界符目的地址源地址长度字段数据字段校验字段7B1B(2/6B)(2/6B)(2B)(长度可变)(4B)循环冗余校验码的特点：（1）CRC校验码可检测出所有单个错误。（2）CRC校验码可检测出所有奇数位错误。（3）CRC校验码可检测出所有双位的错误（4）CRC校验码可检测出所有小于、等于校验位长度的突发错误。（5）CRC校验码可以的概率检测出长度为(K+1)位的突发错误5.设计实现5.1设计思路程序共分三个部分：填充帧头部字段，填充数据字段，计算CRC校验码并填充。1. 填充帧

7、头部字段在这一部分需要向输出文件写入前导码、帧前定界符、目的地址、源地址和长度字段。写入前四个部分十分简单，而写入长度字段时需要计算输入文件的长度。所以计算输入文件长度的方法如下所示：int length=0;infile.seekg(0,ios:end);/将读指针移到文件末尾。length=infile.tellg();/计算指针偏移量，即为输入文件的长度。unsigned char* data=new unsigned charlength;/创建字符指针并根据文件长度初始化。 infile.seekg(0,ios:beg);/将读指针移到文件开始。 infile.read(data,l

8、ength);/将文件数据读入到字符指针data中。 file.put(char(length8); file.put(char(length&0xff);/将文件长度值按照逆序写入到输出文件的长度字段中。 file.write(data,length);/将data内容写入到输出文件中。这种方法采用的是使用文件流相关函数的办法，简单明了，可以先获得文件数据长度，再申请相同大小的空间，不会造成空间上的浪费。2. 填充数据字段在数据字段中，数据字段的最小长度为46B。如果帧的LLC数据少于46B，则应将数据字段填充至46B。填充字符是任意的，不计入长度字段值中。在程序中是用一下方法实现的：/如果

9、输入文件长度不足B，则用补足Bif(length46) for(int j=length;j46;j+) file.put(char(0x00); 3.计算CRC校验码并填充 帧封装的最后一步就是对数据进行校验，并将校验结果记入帧校验字段。本程序中实现的是CRC-8校验算法，方法如下所示： file.put(char(0x00);/将数据字段后添加个 file.seekg(8,ios:beg);/将读指针指向目的地址字段，从此处开始CRC计算 unsigned char ch;/ch用来保存读入的字符。 unsigned char crc=char(0x00);/余数初始值为。 while(1

10、)/进行CRC计算 file.get(ch); if(ch=0xff)/判断是否到了文件结尾，如果是，则退出循环。 break; for(i=0;i8;i+)/对入读入的字符的位分别处理。 if(0x80=(crc&(0x80)/当前余数最高位为，需要进行除法运算。 crc=(crc7);/将输入数据相应的值递补到余数末位。 crc=crc(0x07);/进行除法运算，即与除数的低位相异或。 else/当前余数的最高位为，不需要进行除法运算。 crc=(crc7);/将输入数据相应位的值递补到余数末位。 ch=ch1;/读到的字符左移位，使数据下一位作为输入位。 5.2程序流程图 5.2.1程

11、序流程图5.2.2 CRC计算流程图6.程序源代码#include”stdafx.h”#include#include#includevoid main(int argc,char*argv) /如果输入命令行不正确，则输出提示后退出。 if(argc!=3) coutendl请按以下格式输入：framer inputfile outputfileendl; exit(0); /打开指定的输出文件，以二进制方式打开并可读可写，如文件存在，则清除其内容。 fstream file(argv2,ios:out|ios:in|ios:binary|ios:trunc,0); for(int i=0;

12、i8); file.put(char(length&0xff);/将文件长度值按照逆序写入到输出文件的长度字段中。 file.write(data,length);/将data内容写入到输出文件中。 /如果输入文件长度不足B，则用补足B。 if(length46) for(int j=length;j46;j+) file.put(char(0x00); file.put(char(0x00);/将数据字段后添加个 file.seekg(8,ios:beg);/将读指针指向目的地址字段，从此处开始CRC计算 unsigned char ch;/ch用来保存读入的字符。 unsigned cha

13、r crc=char(0x00);/余数初始值为。 while(1)/进行CRC计算 file.get(ch); if(ch=0xff)/判断是否到了文件结尾，如果是，则退出循环。 break; for(i=0;i8;i+)/对入读入的字符的位分别处理。 if(0x80=(crc&(0x80)/当前余数最高位为，需要进行除法运算。 crc=(crc7);/将输入数据相应的值递补到余数末位。 crc=crc(0x07);/进行除法运算，即与除数的低位相异或。 else/当前余数的最高位为，不需要进行除法运算。 crc=(crc7);/将输入数据相应位的值递补到余数末位。 ch=ch1;/读到的字

14、符左移位，使数据下一位作为输入位。 file.clear(); file.seekp(-1,ios:end);/将写指针移到输出文件的最后。 file.put(crc);/写入crc码。 file.close(); infile.close();/关闭输入文件和输出文件。 coutendl数据帧文件argv2 封装完成endl;7.运行结果运行结果如下所示：执行framer.exe文件的结果如下所示：8.调试过程最开始编程的时候，没有完全掌握好帧的七个组成部分，在进行封装的时候因为缺少了其中的长度字段，因而在执行framer.exe文件时，不能得到正确而的结果。在这方面，最后通过细心的检查和查

15、阅相关的资料，知道所缺的部分。将其添加后，程序的整个部分无误。又由于在此次的程序中，有很多函数的运用，因为对函数的运用掌握的不是很全面，在编写程序的过程中多多少少都会遇到一定程度的麻烦。如fstream 既可以输入也可以输出，而ifstream只能进行输入。刚开始编写的时候，将两者沦为一团，结果不能正确显示；seekg函数的运用中也遇到类似的问题。9.总结与体会在此次的课程设计中，我们小组做的题目是帧封装。在最开始两天收集资料的过程中，我们查阅了很多帧的封装的知识，对帧及其封装的方法有了一定程度的了解和掌握。从最开始对帧的一个模糊的印象到对帧的结构的七个部分的完全掌握，有了很大的收获，并且使帧

16、的封装得以实现。本次的课程设计为了实现帧的封装，主要是将帧的七个部分-前导码、帧前定界符、目的地址、源地址、长度字段、数据字段和校验字段，一个一个按顺序封装的，最后使得一个帧的封装得以完成。同时，在编写程序的过程中，用到了很多的函数，这些函数的运用使得程序简便而且正确的运行出来。为了正确的实现这些函数，我们查阅了很多相关的资料，从中获得了大量的有用的信息，收获也颇丰富。我在我们小组的课程设计中的分工是：计算CRC校验码并填充1）CRC 的应用循环冗余校验(CRC2Cycle Redundancy Code)是一种强有力的错误检测技术。在传送信息时, 发送方根据所发送的信息的具体内容计算出一个称

17、为CRC 的值, 并连同信息串一起发送; 而接收方则对收到的信息串用同样的方法生成一个CRC 值, 若与收到的CRC 值一致, 则可认为信息传送正确。使用CRC 不能保证100% 检测到错误, 但它不需花费试图获得完善检测的巨大开销, 事实上, 用CRC 校验技术可极大地增加发现错误的机会。检测的效果如何, 依赖于使用的CRC 方法, 即所使用的CRC 生成多项式, 实践证明, 有些生成多项式较为有效。目前,在LAN、MODEM 等数字信息传送技术和ARJ、PKZIP 等数据压缩解压缩技术中, CRC 被广泛采用作为校验手段, 效果显著。2）CRC算法简介：CRC校验的基本思想是利用线性编码理

18、论，在发送端根据要传送的k位二进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的监督码（既CRC码）r位，并附在信息后边，构成一个新的二进制码序列数共(k+r)位，最后发送出去。在接收端，则根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。 16位的CRC码产生的规则是先将要发送的二进制序列数左移16位（既乘以 ）后，再除以一个多项式，最后所得到的余数既是CRC码，如式（2-1）式所示，其中B(X)表示n位的二进制序列数，G(X)为多项式，Q(X)为整数，R(X)是余数（既CRC码）。 （2-1） 求CRC码所采用模2加减运算法则，既是不带进位和借位的按位加减，这种加减运算实际上就是逻

19、辑上的异或运算，加法和减法等价，乘法和除法运算与普通代数式的乘除法运算是一样，符合同样的规律。生成CRC码的多项式如下，其中CRC-16和CRC-CCITT产生16位的CRC码，而CRC-32则产生的是32位的CRC码. CRC-16：（美国二进制同步系统中采用） CRC-CCITT：（由欧洲CCITT推荐） CRC-32： 接收方将接收到的二进制序列数（包括信息码和CRC码）除以多项式，如果余数为0，则说明传输中无错误发生，否则说明传输有误，关于其原理这里不再多述。用软件计算CRC码时，接收方可以将接收到的信息码求CRC码，比较结果和接收到的CRC码是否相同。3）CRC 的计算方法原理CRC

20、 码又称为多项式码, 这是因为一个二进制位串可以用一个系数为0 和1 的单变量多项式来表示, 如: 1001 对应于X3+ 1, 而 对应于X7+X6+ X3+ X。设有一个K 位的信息位串, 对应于多项式K(X) , 那么它的CRC 码的计算方法是: 用一个r 次的多项式G (X) 作除数, 把在信息位串尾添上r 个0 所构成的新位串对应的多项式XrK (X) 作为被除数,两者作模2 除法, 最后得到的r 位余数就是K (X) 的CRC 码。因此, G (X) 又称为生成多项式。模2 除法是指计算过程中采用模2 减法(即异或运算) 的除法。例如, 有信息位串, 其对应的多项式为K (X) =

21、 X9+ X8+ X6+ X4+ X3+ X+ 1, 生成多项式采用G (X) = X4+ X+ 1, 则通过繁复的计算过程可得CRC 码为1110。上述计算方法及其编程实现都较复杂, 于是Peterson和B row n 提出了一种移位寄存器电路, 可用硬件来计算CRC。对于上例中G (X) = X4+ X+ 1,初始时置各寄存器为0, 信息位串从高位起逐位输入电路, 每送入一位就进行一次异或操作和循环移位, 经过10 次(因为信息位串有10 位) 操作后, 寄存器R3、R2、R1 和R0 中的值就是冗余位1110。这种移位寄存器电路的硬件实现很方便, 而且采用这种方法计算CRC 在软件编程

22、时比采用模2除法方式更简单。要注意的是, 电路结构与采用的生成多项式G (X) 有关, 而G (X) 的选取原理所涉及的数域理论超出了大部分研究生的数学课程, 因此我们只需记住以下结论而不必深究其推导过程: 若G(X) 有(X+ 1) 因子, 常数项不为0 (即不含有X 的因子) , 周期大于等于k+ r, 那么, 由此G (X) 作为生成多项式产生的CRC 码可检测出下列错误: 所有的双错、奇数位错、突发长度小于等于r 的突发错、(1-2- (r- 1) 100% 的突发长度等于r+ 1 的突发错和(1- 2- r) 100% 的突发长度大于等于r+ 2 的突发错。事实上, 人们已经找到了许

23、多周期足够大的标准生成多项式, 如:CRC- 9= X9+ X6+ X5+ X4+ X3+ 1, CRC- 12 = X12+ X11+ X3+ X2+ X+ 1CRC- 16= X16+ X15+ X2+ 1, CRC- CC ITT =X16+ X12+ X5+ 1CRC- 32= X32+ X26+ X23+ X22+ X16+ X12+ X11 + X10+ X8+ X7+ X5+ X4+ X2+ X+ 1同时，在这近一周的课程设计中，我们的动手能力得到了很大的提高，而且让你给我将这学期所学的网络的知识和以前所学的编程的知识充分的联系起来，对这门课的认识又提高了一层。除此之外，在做课程

24、设计的时候也遇到了很多的问题，最后在同学的帮助下正确的解决了。从最开始的遇到问题到最后的正确解决问题，我懂得了正确出来问题的方法，也知道了自己的不足之处。此次的课程设计也是一个认识自我的好机会。10.参考资料参考教材:吴功宜 吴英.计算机网络教程(第3版)M.北京:电子工业出版社,2003.4.参考文献: 谢希仁.计算机网络M.北京:电子工业出版社, 孙学军.计算机网络M.北京:电子工业出版社, 王能.计算机网络原理M.北京:电子工业出版社, 杨丰瑞 杨丰任.实用教程最新计算机网络M.北京:中国铁道出版社, AndrewS. Tanenbaum(安得鲁坦尼伯姆)著,熊桂喜 王小虎译 李学农审.计算机网(第3版)M.北京:清华大学出版社现代网络技术教程 张公忠 电子工业出版社 计算机网络教程 吴功宜等 电子工业出版社计算机网络 吴企渊等 清华大学出版社 计算机网络课程设计实验报告题 目 帧封装 学 院 数理与信息工程学院 专 业 计算机科学与技术 班 级 学 号 学生姓名 同组成员 指导教师 编写日期 2011年7月7日