數(shù)據(jù)鏈路層滑動(dòng)窗口協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)鏈路層滑動(dòng)窗口協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)PAGEPAGE1數(shù)據(jù)鏈路層滑動(dòng)窗口協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)任務(wù)及內(nèi)容利用所學(xué)數(shù)據(jù)鏈路層原理，設(shè)計(jì)一個(gè)滑動(dòng)窗口協(xié)議并在仿真環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn)有噪音信道環(huán)境下的可靠的雙工通信。信道模型為8000bps全雙工衛(wèi)星信道，信道傳播時(shí)延270毫秒，信道誤碼率為10-5，信道提供字節(jié)流傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層分組長(zhǎng)度在240~256字節(jié)范圍。實(shí)現(xiàn)有噪音信道環(huán)境下的無(wú)差錯(cuò)傳輸。運(yùn)行程序并檢查在信道沒(méi)有誤碼和存在誤碼兩種情況下的信道利用率。提高滑動(dòng)窗口協(xié)議信道利用率，根據(jù)信道實(shí)際情況合理地為協(xié)議配置工作參數(shù)，包括滑動(dòng)窗口的大小和重傳定時(shí)器時(shí)限以及ACK搭載定時(shí)器的時(shí)限。實(shí)驗(yàn)環(huán)境Windows7環(huán)境PC機(jī)，MicrosoftVisualC++6.0集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境二、協(xié)議設(shè)計(jì)協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)及層服務(wù)：包括物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層三層。該實(shí)驗(yàn)主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，為實(shí)現(xiàn)有噪聲環(huán)境下高信道利用率傳輸，我們采用回退n幀（gobackn）技術(shù)的協(xié)議。發(fā)送方窗口大小為31；通過(guò)捎帶確認(rèn)來(lái)完成可靠的數(shù)據(jù)通信；出現(xiàn)信道誤碼導(dǎo)致收幀出錯(cuò)時(shí)，接受方丟棄所有后續(xù)幀，待定時(shí)器超時(shí)后發(fā)送方重發(fā)。該層提供服務(wù)：從網(wǎng)絡(luò)層接受要發(fā)送的數(shù)據(jù)包，將之分拆成數(shù)據(jù)幀；按一定的成幀方案完成分幀，加校驗(yàn)碼，加ack等操作；進(jìn)行適當(dāng)?shù)牧髁颗袛嗪蛽砣刂疲粏?dòng)定時(shí)器將之傳遞給物理層。數(shù)據(jù)幀經(jīng)信道傳送給接受方，接受方數(shù)據(jù)鏈路層執(zhí)行與成幀相逆的操作；處理ack信息，終止定時(shí)器（或啟動(dòng)ack定時(shí)器，ack成幀傳送）；判斷是否為欲接受數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是否出錯(cuò)，提交給網(wǎng)絡(luò)層。退回N步工作原理示意圖：實(shí)驗(yàn)所形成幀(成幀方案)：DATAFramen+=========+========+========+===============+========+|KIND(1)|ACK(1)|SEQ(1)|DATA(240~256)|CRC(4)|+=========+========+========+===============+========+ACKFrame+=========+========+========+|KIND(1)|ACK(1)|CRC(4)|+=========+========+========+NAKFrame+=========+========+========+|KIND(1)|ACK(1)|CRC(4)|+=========+========+========+CRC校驗(yàn)和的多項(xiàng)式定義：本次實(shí)驗(yàn)采用的CRC校驗(yàn)方案為CRC-32，與IEEE802.3以太網(wǎng)校驗(yàn)和生成多項(xiàng)式相同。生成多項(xiàng)式為：x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x1+1校驗(yàn)和附加在數(shù)據(jù)幀尾部，接受方用帶校驗(yàn)和的數(shù)據(jù)來(lái)邏輯除以生成多項(xiàng)式，余數(shù)為零則數(shù)據(jù)無(wú)誤碼，反之有誤碼等待發(fā)送方重傳?？煽客ㄐ藕驼`碼控制方案：通過(guò)捎帶確認(rèn)來(lái)完成可靠的數(shù)據(jù)通信；出現(xiàn)信道誤碼導(dǎo)致收幀出錯(cuò)時(shí)，接受方丟棄所有后續(xù)幀，此時(shí)發(fā)送方長(zhǎng)久接受不到確認(rèn)信息，引發(fā)定時(shí)器超時(shí)后發(fā)送方重發(fā)；接受方無(wú)數(shù)據(jù)傳送導(dǎo)致發(fā)送方無(wú)法收到捎帶確認(rèn)時(shí)，接受方確認(rèn)定時(shí)器超時(shí)，構(gòu)造一確認(rèn)幀單獨(dú)傳送。三、軟件設(shè)計(jì)給出程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，模塊之間的調(diào)用關(guān)系和功能，程序流程。本次實(shí)驗(yàn)我們對(duì)go-back-N協(xié)議進(jìn)行了編寫(xiě)，描述如下：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：typedefenum{false,true}boolean;//blooleantypetypedefunsignedcharseq_nr;//sequenceoracknumberstypedefunsignedcharpacket[PKT_LEN];//用數(shù)組存放數(shù)據(jù)/*FRAMEkind*/#defineData1#defineAck2#defineNak3staticintphl_ready：//物理層狀態(tài)next_frame_to_send;//MAX_SEQ>1;usedforoutboundstream,andinitianizenextframegoingoutack_expected;//oldestframeasyetunacknowledged,andinitianizenextackexpectedinboundframe_expected;//nextframeexpectedoninboundstream,andinitializenumberofframeexpectedinboundbuffer[MAX_SEQ+1];//buffersfortheoutboundstreamnbuffered;//outputbufferscurrentlyinuse,andinitiallynopacketsarebufferedbufferLen[MAX_SEQ+1]//bufferLen存儲(chǔ)每個(gè)buffer中數(shù)據(jù)的有效長(zhǎng)度typedefstruct{//幀結(jié)構(gòu) unsignedcharkind;seq_nrack;seq_nrseq;packetinfo;unsignedcharcrc[4];}frame;模塊結(jié)構(gòu)：給出程序中所設(shè)計(jì)的子程序完成的功能，子程序每個(gè)參數(shù)的意義。A)staticbooleanbetween(seq_nra,seq_nrb,seq_nrc)//判斷b是否是在a、c之間的幀B)staticvoidput_frame(unsignedchar*frame,intlen)//crc編碼并向物理層發(fā)送C)send_data(unsignedcharkind,seq_nrframe_nr,seq_nrframe_expected,packetbuffer[],intdlen[])//生成幀D)intmain()//主函數(shù)，分為五個(gè)事件(1)NETWORK_LAYER_READY，事件發(fā)生后從網(wǎng)絡(luò)層讀數(shù)據(jù)，成幀；若當(dāng)前物理層可用，發(fā)送。(2)PHYSICAL_LAYER_READY，事件發(fā)生后，若有未發(fā)送的幀，發(fā)送，否則置物理層狀態(tài)為可用。(3)DATA_INCOMING，事件發(fā)生后，來(lái)了arg個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，每接受一個(gè)數(shù)據(jù)，判斷是否為幀尾；若為幀尾，提取一幀，去掉填充，進(jìn)行校驗(yàn)；若校驗(yàn)結(jié)果正確，處理ack，然后處理數(shù)據(jù)。接受完arg個(gè)字節(jié)，跳出。(4)ACK_TIMEOUT，事件發(fā)生后，產(chǎn)生一個(gè)不含數(shù)據(jù)的ack幀，等待直到物理層有效，發(fā)送。(5)DATA_TIMEOUT，事件發(fā)生后，重發(fā)ack_expected和next_frame_to_send之間的幀。算法流程：畫(huà)出流程圖，描述算法的主要流程。結(jié)束發(fā)送完畢否數(shù)據(jù)幀是否丟失A生成幀并發(fā)送，B接收幀，并返回信息是是回退重傳否連接是否成功新建A、B兩站自動(dòng)連接開(kāi)始結(jié)束發(fā)送完畢否數(shù)據(jù)幀是否丟失A生成幀并發(fā)送，B接收幀，并返回信息是是回退重傳否連接是否成功新建A、B兩站自動(dòng)連接開(kāi)始四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析(1)描述你所實(shí)現(xiàn)的協(xié)議軟件是否實(shí)現(xiàn)了誤碼信道環(huán)境中無(wú)差錯(cuò)傳輸功能此協(xié)議軟件實(shí)現(xiàn)了誤碼信道環(huán)境中無(wú)差錯(cuò)傳輸功能(2)程序的健壯性在較低誤碼率的信道條件下，該程序運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)任何差錯(cuò)，健壯性良好，在高誤碼率的信道條件下，程序運(yùn)行有時(shí)會(huì)出現(xiàn)中斷，但大多數(shù)時(shí)候均運(yùn)行超過(guò)二十分鐘以上，故本程序健壯性良好，但仍有值得改進(jìn)之處。(3)協(xié)議參數(shù)的選取：滑動(dòng)窗口的大小為7，重傳定時(shí)器的時(shí)限2000，ACK搭載定時(shí)器的時(shí)限為300。在go_back_n協(xié)議中（假設(shè)接受方一直有數(shù)據(jù)發(fā)送，即無(wú)ack定時(shí)器超時(shí)現(xiàn)象），滑動(dòng)窗口的大小M,信道傳輸時(shí)延a,發(fā)送速率c，幀大小f在滿(mǎn)足如下關(guān)系時(shí)信道利用率（M*(f/c)/[2a+2(f/c)]）接近100%:M>=[2a+2*(f/c)]/（f/c）;由于實(shí)際數(shù)據(jù)傳送很可能在某段時(shí)間類(lèi)接受方無(wú)數(shù)據(jù)反送，涉及ack幀單獨(dú)傳送問(wèn)題，故一般信道利用率不可能達(dá)到100%，但M的選擇至少要滿(mǎn)足公式。至于防止M過(guò)大的問(wèn)題，可通過(guò)實(shí)際測(cè)試的結(jié)果分析來(lái)得到合適的M值。滑動(dòng)窗口大小的選擇直接涉及到信道利用率和數(shù)據(jù)擁塞的問(wèn)題；若太小，會(huì)導(dǎo)致信道空閑，利用率很低；若太大，數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)快，會(huì)造成接受方數(shù)據(jù)鏈路層來(lái)不及處理，數(shù)據(jù)物理層及信道發(fā)生擁塞現(xiàn)象導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，出錯(cuò)率增大，重傳率高。8000kbps的信道發(fā)送256字節(jié)的幀需要256*8/8000=256ms（256+270*2）/256=3.X，最大窗口應(yīng)該7就行了.重傳定時(shí)器的大小由發(fā)送速率、信道時(shí)延及接受方的發(fā)送頻率等確定，太小會(huì)頻繁重發(fā)，太大也會(huì)降低信道利用率。結(jié)合多項(xiàng)測(cè)試最終定為2000ms。ack搭載定時(shí)器的時(shí)限由本站的發(fā)送頻率決定，一方面，為了節(jié)省帶寬應(yīng)該盡量搭載使用。另一方面當(dāng)本站長(zhǎng)時(shí)間無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)應(yīng)該盡量早點(diǎn)發(fā)送ack幀。經(jīng)過(guò)數(shù)項(xiàng)測(cè)試，定位300ms。(4)理論分析：無(wú)差錯(cuò)條件下分組層能獲得的最大信道利用率應(yīng)該是256/262*100%=97.7，而在誤碼率為1e-5的情況下應(yīng)為256/262（1+262*8*0.00001）=95.5。(5)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：你的程序運(yùn)行實(shí)際達(dá)到了什么樣的效率，比對(duì)理論推導(dǎo)給出的結(jié)論，有沒(méi)有差距？給出原因。有沒(méi)有改進(jìn)的辦法？如果沒(méi)有時(shí)間把這些方法付諸編程實(shí)施，介紹你的方案。序號(hào)命令說(shuō)明運(yùn)行時(shí)間(秒）效率(%)備注AB1datalinkaudatalinkbu無(wú)誤碼信道數(shù)據(jù)傳輸1957.41352.5896.972datalinkadatalinkb站點(diǎn)A分組層平緩方式發(fā)出數(shù)據(jù)，站點(diǎn)B周期性交替“發(fā)送100秒，停發(fā)100秒”1525.15648.5787.693datalinkafudatalinkbfu無(wú)誤碼信道，站點(diǎn)A和B的分組層都洪水式產(chǎn)生分組1586.40996.9796.974datalinkafdatalinkbf站點(diǎn)A/B的分組層都洪水式產(chǎn)生分組1899.68885.7985.805datalinkaf–ber1e-4datalinkbf–ber1e-4站點(diǎn)A/B的分組層都洪水式產(chǎn)生分組，線(xiàn)路誤碼率設(shè)為10-41028.14938.0838.60實(shí)驗(yàn)成果離預(yù)期效果存在差距，尤其在有誤碼的條件下，信道利用率與理論之相比相差很大。原因有幾個(gè)方面：填充字節(jié)和發(fā)送時(shí)候的延遲，這一方面無(wú)法縮短；信道空閑，只是因?yàn)榇翱诖笮?、重傳定時(shí)器的時(shí)限和ACK搭載定時(shí)器的時(shí)限的選擇不是很恰當(dāng)，這方面，需要多做測(cè)試來(lái)確定發(fā)送端、接收端的延時(shí)，再確定具體數(shù)值；另外，ack的發(fā)送可能有些滯后，沒(méi)有一個(gè)非常合理的發(fā)送機(jī)制。還有一點(diǎn)，從網(wǎng)絡(luò)層受到數(shù)據(jù)后，我是把數(shù)據(jù)成幀后存起來(lái)的，現(xiàn)在看來(lái)，考慮到ack的更新，在發(fā)送時(shí)再成幀更有效率些。(6)存在的問(wèn)題：在“表3性能測(cè)試記錄表”中給出了7種測(cè)試方案，在測(cè)試中你的程序有沒(méi)有失敗，或者，雖未失敗，但表現(xiàn)出來(lái)的性能仍有差距，你的程序中還存在哪些問(wèn)題?測(cè)試中沒(méi)有失敗，不過(guò)性能差距挺大。主要是超時(shí)時(shí)限和窗口大小的問(wèn)題。五、研究和探索的問(wèn)題1．start_timer()不是在啟動(dòng)時(shí)就計(jì)時(shí)，而是在物理層發(fā)送了才開(kāi)始計(jì)時(shí)；相對(duì)的，start_ack_timer()是以啟動(dòng)就開(kāi)始計(jì)時(shí)。前者要考慮發(fā)送緩沖區(qū)的等待時(shí)間，而后者考慮的是ack是否被裝到了幀上。2．重傳時(shí)限設(shè)定得比較長(zhǎng)，大部分情況下都不會(huì)超時(shí)。實(shí)踐證明，這種情況下效率相對(duì)更高一點(diǎn)。3．流量控制方面，首先窗口的大小可以控制。然后發(fā)送和接收緩存區(qū)的大小也限制了流量。六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)和心得體會(huì)(1)完成本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)際上機(jī)調(diào)試時(shí)間是多少？三天，第一天花了大概7小時(shí)討論程序結(jié)構(gòu)以及函數(shù)的調(diào)用，第二天完成編程并調(diào)試，第三天寫(xiě)文檔和性能測(cè)試，(2)編程工具方面遇到了哪些問(wèn)題？包括Windows環(huán)境和VC軟件的安裝問(wèn)題。該實(shí)驗(yàn)要用vc++6.0，并且要在doc系統(tǒng)運(yùn)行生成的exe文件。(3)編程語(yǔ)言方面遇到了哪些問(wèn)題？包括C語(yǔ)言使用和對(duì)C語(yǔ)言操控能力上的問(wèn)題。大概沒(méi)遇到什么問(wèn)題。。遇到的只是一些函數(shù)的調(diào)用上。(4)協(xié)議方面遇到了哪些問(wèn)題？包括協(xié)議機(jī)制的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，發(fā)現(xiàn)協(xié)議死鎖，或者不能正確工作，協(xié)議參數(shù)的調(diào)整等問(wèn)題。成幀時(shí)，開(kāi)始我們幀結(jié)構(gòu)是(ack幀序號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)內(nèi)容校驗(yàn)和)，長(zhǎng)度在256時(shí)成了0，后來(lái)在成幀時(shí)去掉了數(shù)據(jù)長(zhǎng)度這項(xiàng)。(5)開(kāi)發(fā)庫(kù)方面遇到了哪些問(wèn)題？包括庫(kù)程序中的BUG，庫(kù)函數(shù)文檔不夠清楚導(dǎo)致誤解，庫(kù)函數(shù)設(shè)計(jì)在所提供的功能結(jié)構(gòu)上的缺憾導(dǎo)致編程效率低下。這些問(wèn)題或