封裝Ethernet幀課程設(shè)計(jì)

1、 沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙 No14目錄1 課程設(shè)計(jì)目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52 課程設(shè)計(jì)要求 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53 相關(guān)知識(shí). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 4 課程設(shè)計(jì)分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

2、5 相關(guān)擴(kuò)展 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 程序代碼. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147 運(yùn)行結(jié)果與分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168 參考文獻(xiàn). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171課程設(shè)計(jì)目的 幀是

3、在數(shù)據(jù)鏈路層中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝?。熟悉幀結(jié)構(gòu)對(duì)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(jì)的主要目的是通過封裝Ethernet幀，了解Ethernet幀中各個(gè)字段的含義與用途。2 課程設(shè)計(jì)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(yùn)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(shí)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(gè)幀。Ethernet從某種程度上可以被看做是機(jī)器之間的數(shù)據(jù)鏈路層連接。首先我們來認(rèn)識(shí)一下幀結(jié)構(gòu)，EthernerV2.0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。圖為幀結(jié)構(gòu)圖前導(dǎo)碼幀前定界符目的地址源地址長(zhǎng)度字段數(shù)據(jù)字段校驗(yàn)字段（7B）（1B）（2/6B）（2/6B）（2B）（長(zhǎng)度可變）（4B） 圖1.幀結(jié)構(gòu)圖如上圖所示，802.3標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet幀結(jié)構(gòu)由7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1010101010101010

5、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(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(zhǎng)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(diǎn)地址與發(fā)送結(jié)點(diǎn)的硬件地址。在Ethernet幀中，目的地址和源地址字段長(zhǎng)度可以是2B或6B。目前的Ethernet都使用6B長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度為46B，最大長(zhǎng)度為1500B。設(shè)置最小幀長(zhǎng)度的目的是使每個(gè)接收結(jié)點(diǎn)能夠有足夠時(shí)間檢測(cè)到?jīng)_突。（4） 數(shù)據(jù)字段幀數(shù)據(jù)字段的最小長(zhǎng)度為46B。如果幀的LLC數(shù)據(jù)少于46B，則應(yīng)將數(shù)據(jù)字段填充只46B。填充字符是任意的，不計(jì)入長(zhǎng)度字段值中。（5） 校驗(yàn)字段幀校驗(yàn)字段（FCS）采用32位的CRC校驗(yàn)。校驗(yàn)的范圍包括目的地址字段、源地址字段、長(zhǎng)度字段、LLC數(shù)據(jù)字段。此處，為了簡(jiǎn)便起見，采用8位的CRC校驗(yàn)。CRC校驗(yàn)的生成多項(xiàng)式為：G(X)=X8+X2+X

7、+1某些幀結(jié)構(gòu)中還會(huì)包括幀類型字段，用來識(shí)別此幀所承載的數(shù)據(jù)的類型。當(dāng)一個(gè)幀到達(dá)指定的計(jì)算機(jī)時(shí)，操作系統(tǒng)根據(jù)幀類型決定用哪個(gè)協(xié)議軟件模塊對(duì)它進(jìn)行處理。自識(shí)別幀的主要優(yōu)點(diǎn)是，可以在同一物理網(wǎng)絡(luò)中使用多個(gè)協(xié)議而互不干擾。2.CRC校驗(yàn) 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(jìn)制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個(gè)校驗(yàn)用的r位監(jiān)督碼，附在原始信息的后邊，構(gòu)成一個(gè)新的二進(jìn)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(jìn)行檢驗(yàn)，以確定傳送中是否出錯(cuò)。（1） CRC編碼的代數(shù)學(xué)原理將一個(gè)碼組表示為一個(gè)多項(xiàng)式，碼組中的各碼元作為多項(xiàng)式的系數(shù)。設(shè)編碼前的原始信息多項(xiàng)式為P

8、（x），P（x）最高次冪加1等于k；生成多項(xiàng)式為G(x),它的最高次冪等于r；CRC多項(xiàng)式為R(x)；編碼后的帶CRC的信息多項(xiàng)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(cuò)誤發(fā)生，否則說明傳輸有錯(cuò)誤。（2） CRC的基本實(shí)現(xiàn)以CRC-8（X8+X2+X1為例，它由多個(gè)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(gè)寄存器上的移位操作同時(shí)進(jìn)行，均為左移一位，左邊的寄存器的最左一位作為三個(gè)異或操作的輸入之一。每次移位時(shí)，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(gè)異或操作的結(jié)果作為與它左邊那個(gè)寄存器的移入位。重復(fù)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(jì)算的數(shù)據(jù)為止。這時(shí)，這個(gè)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(yàn)時(shí)，都可以利用事先約定的生成多項(xiàng)式G(x)來得到，K位要發(fā)送的信息位可對(duì)應(yīng)于一個(gè)(k-1)次多項(xiàng)式K(x),r位冗余位對(duì)應(yīng)于一個(gè)（r-1）次多項(xiàng)式R(x)，由r位冗余位組成的n=k+r位碼對(duì)應(yīng)于一個(gè)(n-1)次多項(xiàng)式T(x)=Xr*K(x)+R(x)。（3） 循環(huán)冗余校驗(yàn)碼的特點(diǎn)CRC校驗(yàn)碼的檢錯(cuò)

10、能力很強(qiáng),不僅能檢查出離散錯(cuò)誤,還能檢查出突發(fā)錯(cuò)誤.CRC校驗(yàn)碼具有以下的檢錯(cuò)能力：CRC校驗(yàn)碼可檢測(cè)出所有單個(gè)錯(cuò)誤，所有奇數(shù)位錯(cuò)誤，所有雙位的錯(cuò)誤，所有小于、等于校驗(yàn)位長(zhǎng)度的突發(fā)錯(cuò)誤。4 課程設(shè)計(jì)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(dǎo)碼、定界符、目的地址、源地址、長(zhǎng)度字段的相應(yīng)數(shù)值按順序?qū)懭刖涂梢粤?。其中，長(zhǎng)度字段的值即為要發(fā)送的數(shù)據(jù)的實(shí)際長(zhǎng)度。有以下兩種方式來獲得長(zhǎng)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(zhǎng)度。802.3標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了幀數(shù)據(jù)字段的最小長(zhǎng)度為46B，最大長(zhǎng)度為1500B。如果數(shù)據(jù)不足46B，則需要通過填充0來補(bǔ)足；若數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超過1500B，則將超過部分封裝入下一個(gè)幀進(jìn)行發(fā)送。由于幀頭部分應(yīng)該包括6B目的地址、6B源地址、2B長(zhǎng)度字段以及4B幀校驗(yàn)字段，因此幀頭部分長(zhǎng)度為18B。前導(dǎo)碼與幀前定界符不計(jì)入幀頭長(zhǎng)度中。那

12、么，Ethernet幀的最小長(zhǎng)度為64B，最大長(zhǎng)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(duì)一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，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(gè)事實(shí)：計(jì)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(jìn)制序列數(shù)的CRC全部計(jì)算出來，放在一個(gè)表里，那么編碼時(shí)只要從表中查找對(duì)應(yīng)的值進(jìn)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(dòng)一個(gè)字節(jié)。3） 剛移出的那個(gè)字節(jié)與數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行異或運(yùn)算，得出一個(gè)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(yùn)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(fù)步驟2.6） 寄存器組取反，得到CRC，附加在數(shù)據(jù)之后。驗(yàn)證算法：1） 寄存器組初始化為全1.2） 寄存器組向右移動(dòng)一個(gè)字節(jié)。3） 剛移出的那個(gè)字節(jié)與數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行異或運(yùn)算，得出一個(gè)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(yùn)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(fù)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(jì)算流程圖6 程序代碼#include#includevoid main(int argc,char*argv)if(argc!=3)cout請(qǐng)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