可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦斫饪煽繑?shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹?；掌握停等協(xié)議的工作原理；在理解停等協(xié)議的基礎(chǔ)上,理解滑動(dòng)窗口協(xié)議的基本原理；掌握gbn的工作原理；掌握基于udp設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)gbn協(xié)議的過(guò)程與技術(shù)。2、實(shí)驗(yàn)環(huán)境 接入internet的實(shí)驗(yàn)主機(jī)； windows xp或windows 7/8； 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言：c/c+（或java）等。3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1) 基于udp設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的停等協(xié)議;2) 引入滑動(dòng)窗口技術(shù),改進(jìn)停等協(xié)議,實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的gbn協(xié)議;2) 模擬引入數(shù)據(jù)包的丟失，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)協(xié)議的有效性;3) 改進(jìn)所設(shè)計(jì)的gbn協(xié)議，支持雙向數(shù)據(jù)傳輸；（選作內(nèi)容，加分項(xiàng)目，可以當(dāng)堂完成

2、或課下完成）4）將所設(shè)計(jì)的gbn協(xié)議改進(jìn)為sr協(xié)議。（選作內(nèi)容，加分項(xiàng)目，可以當(dāng)堂完成或課下完成）4、實(shí)驗(yàn)方式每位同學(xué)上機(jī)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。5、實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)1) 深刻理解停等協(xié)議與gbn協(xié)議的區(qū)別;2) 基于udp實(shí)現(xiàn)的gbn協(xié)議，可以不進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)，可以利用udp協(xié)議差錯(cuò)檢測(cè)；3) 自行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)幀的格式，應(yīng)至少包含序列號(hào)seq和數(shù)據(jù)兩部分；4) 自行定義發(fā)送端序列號(hào)seq比特?cái)?shù)l以及發(fā)送窗口大小w，應(yīng)滿足條件w+1=2l。5) 一種簡(jiǎn)單的服務(wù)器端計(jì)時(shí)器的實(shí)現(xiàn)辦法：設(shè)置套接字為非阻塞方式，則服務(wù)器端在recvfrom方法上不會(huì)阻塞，若正確接收到ack消息，則計(jì)時(shí)器清零，若從客戶端接收數(shù)據(jù)

3、長(zhǎng)度為-1（表示沒(méi)有接收到任何數(shù)據(jù)），則計(jì)時(shí)器+1，對(duì)計(jì)時(shí)器進(jìn)行判斷，若其超過(guò)閾值，則判斷為超時(shí)，進(jìn)行超時(shí)重傳。（當(dāng)然，如果服務(wù)器選擇阻塞模式，可以用到select或epoll的阻塞選擇函數(shù)，詳情見(jiàn)msdn）6) 為了模擬ack丟失，一種簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)辦法：客戶端對(duì)接收的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后對(duì)總數(shù)進(jìn)行模n運(yùn)算，若規(guī)定求模運(yùn)算結(jié)果為零則返回ack，則每接收n個(gè)數(shù)據(jù)幀才返回1個(gè)ack。當(dāng)n取值大于服務(wù)器端的超時(shí)閥值時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)服務(wù)器端超時(shí)現(xiàn)象。7) 當(dāng)設(shè)置服務(wù)器端發(fā)送窗口的大小為1時(shí)，gbn協(xié)議就是停-等協(xié)議。6、參考內(nèi)容作為只實(shí)現(xiàn)單向數(shù)據(jù)傳輸?shù)膅bn協(xié)議，實(shí)質(zhì)上就是實(shí)現(xiàn)為一個(gè)c/s應(yīng)用。服務(wù)器端：使

4、用udp協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)（比如傳輸一個(gè)文件），等待客戶端的請(qǐng)求，接收并處理來(lái)自客戶端的消息（如數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求），當(dāng)客戶端開(kāi)始請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入“偽連接”狀態(tài)（并不是真正的連接，只是一種類似連接的數(shù)據(jù)發(fā)送的狀態(tài)），將數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送，然后等待客戶端的ack信息，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。當(dāng)收到ack時(shí)，窗口滑動(dòng)，正常發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，計(jì)時(shí)器重新計(jì)時(shí)；若在計(jì)時(shí)器超時(shí)前沒(méi)有收到ack，則全部重傳窗口內(nèi)的所以已發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)?？蛻舳耍菏褂胾dp協(xié)議向服務(wù)器端請(qǐng)求數(shù)據(jù)，接收服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)并返回確認(rèn)信息ack（注意gbn為累積確認(rèn)，即若ack=1和3，表示數(shù)據(jù)幀2已經(jīng)正確接收），必須能夠模擬ack丟失直至服務(wù)器端超時(shí)

5、重傳的情況。(1) 服務(wù)器端設(shè)計(jì)參考1）命令解析為了測(cè)試客戶端與服務(wù)器端的通信交互，方便操作，設(shè)置了此過(guò)程。首先，服務(wù)器接收客戶端發(fā)來(lái)的請(qǐng)求數(shù)據(jù)，“-time”表示客戶端請(qǐng)求獲取當(dāng)前時(shí)間，服務(wù)器回復(fù)當(dāng)前時(shí)間；“-quit”表示客戶端退出，服務(wù)器回復(fù)“good bye!”；“-testgbn”表示客戶端請(qǐng)求開(kāi)始測(cè)試gbn協(xié)議，服務(wù)器開(kāi)始進(jìn)入gbn傳輸狀態(tài)；其他數(shù)據(jù)，則服務(wù)器直接回復(fù)原數(shù)據(jù)。2）數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)幀格式定義在以太網(wǎng)中，數(shù)據(jù)幀的mtu為1500字節(jié)，所以u(píng)dp數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分應(yīng)小于1472字節(jié)（除去ip頭部20字節(jié)與udp頭的8字節(jié)），為此，定義udp數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分格式為：seq為1個(gè)字

6、節(jié)，取值為0255，（故序列號(hào)最多為256個(gè)）；data1024個(gè)字節(jié)，為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；最后一個(gè)字節(jié)放入eof0，表示結(jié)尾。3）源代碼#include stdafx.h /創(chuàng)建vs項(xiàng)目包含的預(yù)編譯頭文件#include #include #include #include #pragma comment(lib,ws2_32.lib)#define server_port12340/端口號(hào)#define server_ip0.0.0.0/ip地址const int buffer_length = 1026;/緩沖區(qū)大小，（以太網(wǎng)中udp的數(shù)據(jù)幀中包長(zhǎng)度應(yīng)小于1480字節(jié)）const int se

7、nd_wind_size = 10;/發(fā)送窗口大小為10，gbn中應(yīng)滿足 w + 1 tm_year + 1900,p-tm_mon,p-tm_mday,p-tm_hour,p-tm_min,p-tm_sec);strcpy_s(ptime,sizeof(buffer),buffer);/*/ method: seqisavailable/ fullname: seqisavailable/ access: public / returns: bool/ qualifier: 當(dāng)前序列號(hào) curseq 是否可用/*bool seqisavailable()int step;step = cur

8、seq - curack;step = step = 0 ? step : step + seq_size;/序列號(hào)是否在當(dāng)前發(fā)送窗口之內(nèi)if(step = send_wind_size)return false;if(ackcurseq)return true;return false;/*/ method: timeouthandler/ fullname: timeouthandler/ access: public / returns: void/ qualifier: 超時(shí)重傳處理函數(shù)，滑動(dòng)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)幀都要重傳/*void timeouthandler()printf(timer

9、out error.n);int index;for(int i = 0;i send_wind_size;+i)index = (i + curack) % seq_size;ackindex = true;totalseq -= send_wind_size;curseq = curack;/*/ method: ackhandler/ fullname: ackhandler/ access: public / returns: void/ qualifier: 收到ack，累積確認(rèn)，取數(shù)據(jù)幀的第一個(gè)字節(jié)/由于發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，第一個(gè)字節(jié)（序列號(hào)）為0（ascii）時(shí)發(fā)送失敗，因此加一了，此處

10、需要減一還原/ parameter: char c/*void ackhandler(char c)unsigned char index = (unsigned char)c - 1; /序列號(hào)減一printf(recv a ack of %dn,index);if(curack = index)for(int i= curack; i = index;+i)acki = true;curack = (index + 1) % seq_size;else/ack超過(guò)了最大值，回到了curack的左邊f(xié)or(int i = curack;i seq_size;+i)acki = true;fo

11、r(int i = 0; i= index;+i)acki = true;curack = index + 1;/主函數(shù)int main(int argc, char* argv)/加載套接字庫(kù)（必須）word wversionrequested;wsadata wsadata;/套接字加載時(shí)錯(cuò)誤提示int err;/版本2.2wversionrequested = makeword(2, 2);/加載dll文件scoket庫(kù) err = wsastartup(wversionrequested, &wsadata);if(err != 0)/找不到winsock.dllprintf(wsas

12、tartup failed with error: %dn, err);return -1;if(lobyte(wsadata.wversion) != 2 | hibyte(wsadata.wversion) !=2) printf(could not find a usable version of winsock.dlln);wsacleanup();elseprintf(the winsock 2.2 dll was found okayn);socket sockserver = socket(af_inet, sock_dgram,ipproto_udp);/設(shè)置套接字為非阻塞模式

13、int imode = 1; /1：非阻塞，0：阻塞ioctlsocket(sockserver,fionbio, (u_long far*) &imode);/非阻塞設(shè)置sockaddr_in addrserver;/服務(wù)器地址/addrserver.sin_addr.s_un.s_addr = inet_addr(server_ip);addrserver.sin_addr.s_un.s_addr = htonl(inaddr_any);/兩者均可addrserver.sin_family = af_inet;addrserver.sin_port = htons(server_port)

14、;err = bind(sockserver,(sockaddr*)&addrserver, sizeof(sockaddr);if(err)err = getlasterror();printf(could not bind the port %d for socket.error code is %dn,server_port,err);wsacleanup();return -1;sockaddr_in addrclient;/客戶端地址int length = sizeof(sockaddr);char bufferbuffer_length; /數(shù)據(jù)發(fā)送接收緩沖區(qū)zeromemory

15、(buffer,sizeof(buffer);/將測(cè)試數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存std:ifstream icin;icin.open(./test.txt);char data1024 * 113;zeromemory(data,sizeof(data);icin.read(data,1024 * 113);icin.close();totalpacket = sizeof(data) / 1024;int recvsize ;for(int i=0; i seq_size; +i)acki = true;while(true)/非阻塞接收，若沒(méi)有收到數(shù)據(jù)，返回值為-1recvsize = recvfro

16、m(sockserver,buffer,buffer_length,0,(sockaddr*)&addrclient),&length);if(recvsize 0)sleep(200);continue;printf(recv from client: %sn,buffer);if(strcmp(buffer,-time) = 0)getcurtime(buffer);else if(strcmp(buffer,-quit) = 0)strcpy_s(buffer,strlen(good bye!) + 1,good bye!);else if(strcmp(buffer,-testgbn)

17、 = 0)/進(jìn)入gbn測(cè)試階段/首先server（server處于0狀態(tài)）向client發(fā)送205狀態(tài)碼（server進(jìn)入1狀態(tài)）/server 等待client回復(fù)200狀態(tài)碼，如果收到（server進(jìn)入2狀態(tài)），則開(kāi)始傳輸文件，否則延時(shí)等待直至超時(shí)/在文件傳輸階段，server發(fā)送窗口大小設(shè)為zeromemory(buffer,sizeof(buffer);int recvsize;int waitcount = 0;printf(begain to test gbn protocol,please dont abort the processn);/加入了一個(gè)握手階段/首先服務(wù)器向客戶端

18、發(fā)送一個(gè)205大小的狀態(tài)碼（我自己定義的）表示服務(wù)器準(zhǔn)備好了，可以發(fā)送數(shù)據(jù)/客戶端收到205之后回復(fù)一個(gè)200大小的狀態(tài)碼，表示客戶端準(zhǔn)備好了，可以接收數(shù)據(jù)了/服務(wù)器收到200狀態(tài)碼之后，就開(kāi)始使用gbn發(fā)送數(shù)據(jù)了printf(shake hands stagen);int stage = 0;bool runflag = true;while(runflag)switch(stage)case 0:/發(fā)送205階段buffer0 = 205;sendto(sockserver, buffer, strlen(buffer)+1, 0, (sockaddr*)&addrclient, size

19、of(sockaddr);sleep(100);stage = 1;break;case 1:/等待接收200階段，沒(méi)有收到則計(jì)數(shù)器+1，超時(shí)則放棄此次“連接”，等待從第一步開(kāi)始recvsize = recvfrom(sockserver,buffer,buffer_length,0,(sockaddr*)&addrclient),&length);if(recvsize 20)runflag = false;printf(timeout errorn);break;sleep(500);continue;elseif(unsigned char)buffer0 = 200)printf(be

20、gin a file transfern);printf(file size is %db, each packet is 1024b and packet total num is %dn,sizeof(data),totalpacket);curseq = 0;curack = 0;totalseq = 0;waitcount = 0;stage = 2;break;case 2:/數(shù)據(jù)傳輸階段if(seqisavailable()/發(fā)送給客戶端的序列號(hào)從1開(kāi)始buffer0 = curseq + 1;ackcurseq = false;/數(shù)據(jù)發(fā)送的過(guò)程中應(yīng)該判斷是否傳輸完成/為簡(jiǎn)化過(guò)程此

21、處并未實(shí)現(xiàn)memcpy(&buffer1,data + 1024 * totalseq,1024);printf(send a packet with a seq of %dn,curseq);sendto(sockserver, buffer, buffer_length, 0, (sockaddr*)&addrclient, sizeof(sockaddr);+curseq;curseq %= seq_size;+totalseq;sleep(500);/等待ack，若沒(méi)有收到，則返回值為-1，計(jì)數(shù)器+1recvsize = recvfrom(sockserver,buffer,buffe

22、r_length,0,(sockaddr*)&addrclient),&length);if(recvsize 20)timeouthandler();waitcount = 0;else/收到ackackhandler(buffer0);waitcount = 0;sleep(500);break;sendto(sockserver, buffer, strlen(buffer)+1, 0, (sockaddr*)&addrclient, sizeof(sockaddr);sleep(500);/關(guān)閉套接字，卸載庫(kù)closesocket(sockserver);wsacleanup();re

23、turn 0;(2) 客戶端設(shè)計(jì)參考1) ack數(shù)據(jù)幀定義由于是從服務(wù)器端到客戶端的單向數(shù)據(jù)傳輸，因此ack數(shù)據(jù)幀不包含任何數(shù)據(jù)，只需要將ack發(fā)送給服務(wù)器端即可。ack字段為一個(gè)字節(jié)，表示序列號(hào)數(shù)值；末尾放入0，表示數(shù)據(jù)結(jié)束。2）命令設(shè)置客戶端的命令和服務(wù)器端的解析命令向?qū)?yīng)，獲取當(dāng)前用戶輸入并發(fā)送給服務(wù)器并等待服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)，如輸入“-time”得到服務(wù)器的當(dāng)前時(shí)間。此處重點(diǎn)介紹“-testgbn x y”命令，x,y均為0,1的小數(shù)，其中：x表示客戶端的丟包率，模擬網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文丟失；y表示客戶端的ack的丟失率。（使用隨機(jī)函數(shù)完成）。如果用戶不輸入，則默認(rèn)丟失率均為0.2。3）源代碼/ g

24、bn_client.cpp : 定義控制臺(tái)應(yīng)用程序的入口點(diǎn)。/#include stdafx.h#include #include #include #pragma comment(lib,ws2_32.lib)#define server_port12340 /接收數(shù)據(jù)的端口號(hào)#define server_ip127.0.0.1 / 服務(wù)器的ip地址const int buffer_length = 1026;const int seq_size = 20;/接收端序列號(hào)個(gè)數(shù)，為120/*/* -time 從服務(wù)器端獲取當(dāng)前時(shí)間-quit 退出客戶端-testgbn x 測(cè)試gbn協(xié)議實(shí)現(xiàn)可

25、靠數(shù)據(jù)傳輸 x 0,1 模擬數(shù)據(jù)包丟失的概率 y 0,1 模擬ack丟失的概率*/*/void printtips()printf(*n);printf(| -time to get current time |n);printf(| -quit to exit client |n);printf(| -testgbn x y to test the gbn |n);printf(*n);/*/ method: lossinlossratio/ fullname: lossinlossratio/ access: public / returns: bool/ qualifier: 根據(jù)丟失率

26、隨機(jī)生成一個(gè)數(shù)字，判斷是否丟失,丟失則返回true，否則返回false/ parameter: float lossratio 0,1/*bool lossinlossratio(float lossratio)int lossbound = (int) (lossratio * 100);int r = rand() % 101;if(r = lossbound)return true;return false;int main(int argc, char* argv)/加載套接字庫(kù)（必須）word wversionrequested;wsadata wsadata;/套接字加載時(shí)錯(cuò)誤提示

27、int err;/版本2.2wversionrequested = makeword(2, 2);/加載dll文件scoket庫(kù) err = wsastartup(wversionrequested, &wsadata);if(err != 0)/找不到winsock.dllprintf(wsastartup failed with error: %dn, err);return 1;if(lobyte(wsadata.wversion) != 2 | hibyte(wsadata.wversion) !=2) printf(could not find a usable version of

28、 winsock.dlln);wsacleanup();elseprintf(the winsock 2.2 dll was found okayn);socket socketclient = socket(af_inet, sock_dgram, 0);sockaddr_in addrserver;addrserver.sin_addr.s_un.s_addr = inet_addr(server_ip);addrserver.sin_family = af_inet;addrserver.sin_port = htons(server_port);/接收緩沖區(qū)char bufferbuf

29、fer_length;zeromemory(buffer,sizeof(buffer);int len = sizeof(sockaddr);/為了測(cè)試與服務(wù)器的連接，可以使用 -time 命令從服務(wù)器端獲得當(dāng)前時(shí)間/使用 -testgbn x y 測(cè)試gbn 其中x表示數(shù)據(jù)包丟失概率/ y表示ack丟包概率printtips();int ret;int interval = 1;/收到數(shù)據(jù)包之后返回ack的間隔，默認(rèn)為1表示每個(gè)都返回ack，0或者負(fù)數(shù)均表示所有的都不返回ackchar cmd128;float packetlossratio = 0.2;/默認(rèn)包丟失率0.2float ac

30、klossratio = 0.2;/默認(rèn)ack丟失率0.2/用時(shí)間作為隨機(jī)種子，放在循環(huán)的最外面srand(unsigned)time(null);while(true)gets_s(buffer);ret = sscanf(buffer,%s%f%f,&cmd,&packetlossratio,&acklossratio);/開(kāi)始gbn測(cè)試，使用gbn協(xié)議實(shí)現(xiàn)udp可靠文件傳輸if(!strcmp(cmd,-testgbn)printf(%sn,begin to test gbn protocol, please dont abort the process);printf(the loss

31、 ratio of packet is %.2f,the loss ratio of ack is %.2fn,packetlossratio,acklossratio);int waitcount = 0;int stage = 0;bool b;unsigned char u_code;/狀態(tài)碼unsigned short seq;/包的序列號(hào)unsigned short recvseq;/接收窗口大小為1，已確認(rèn)的序列號(hào)unsigned short waitseq;/等待的序列號(hào)sendto(socketclient, -testgbn, strlen(-testgbn)+1, 0, (

32、sockaddr*)&addrserver, sizeof(sockaddr);while (true)/等待server回復(fù)設(shè)置udp為阻塞模式recvfrom(socketclient,buffer,buffer_length,0,(sockaddr*)&addrserver, &len);switch(stage)case 0:/等待握手階段u_code = (unsigned char)buffer0;if (unsigned char)buffer0 = 205)printf(ready for file transmissionn);buffer0 = 200;buffer1 = 0;sendto(socketclient, buffer, 2, 0, (sockaddr*)&addrserver, sizeof(sockaddr);stage = 1;recvseq = 0;waitseq = 1;break;case 1:/等待接