《計算機網(wǎng)絡》計算校驗和課程設計

1、目 錄一.課程設計的目的和意義11.1課程設計的目的12.2課程設計的意義1二.程設計的內(nèi)容和要求22.1課程設計的內(nèi)容22.2課程設計的要求2三、課程設計的相關(guān)技術(shù)23.1 計算校驗和23.1.1 交換性與結(jié)合性23.1.2 字節(jié)順序的自主性33.1.3 并進行計算33.2 一些編碼技術(shù)可以提高校驗和的計算速度43.2.1延遲進位法43.2.2反向循環(huán)法43.2.3合并數(shù)據(jù)拷貝法4四.課程設計過程54.1 數(shù)據(jù)的輸入方式54.2 校驗和的計算54.3 程序流程圖7五.相關(guān)擴展85.1 主要的實現(xiàn)過程85.2 程序流程圖9六.編程實現(xiàn)106.1 程序源代碼10七.程序的調(diào)試及分析13八.課設計

2、小結(jié)14九.參考文獻15一.課程設計的目的和意義1.1課程設計的目的網(wǎng)絡上的信號最終都是通過物理傳輸線路進行傳輸?shù)模绻邔記]有采用差錯控制，那么物理層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號是可能有差錯的。為了保證數(shù)據(jù)的正確性，在物理層的基礎(chǔ)上設計了數(shù)據(jù)鏈路層。設計數(shù)據(jù)鏈路層的主要作用就是在原始的、有差錯的物理傳輸線路的基礎(chǔ)上，采用差錯檢測、差錯控制與流量控制等方法，將有差錯的物理線路改進成邏輯上無差錯的數(shù)據(jù)鏈路，以向網(wǎng)絡層提供高質(zhì)量的服務。本課程設計主要通過一個簡單例子使學生了解網(wǎng)絡協(xié)議中校驗和的計算過程，以及設置校驗和的作用。目前，進行差錯檢測和差錯控制的主要方法是：在需要傳輸ude數(shù)據(jù)分組后面加上一定的冗余信息

3、，這樣的冗余信息通常都是通過對所發(fā)送的數(shù)據(jù)應用某種算法進行計算而得到的。數(shù)據(jù)的接收方在接收到數(shù)據(jù)后進行同樣的計算再與收到的冗余信息進行比較，如果結(jié)果不同就說明出現(xiàn)了差錯，此時可以要求發(fā)送方重傳該組數(shù)據(jù)，以此達到保證數(shù)據(jù)準確性的目的。在普遍使用的網(wǎng)絡協(xié)議中都設置了校驗和項以保存這些冗余信息，例如Ipv4、ICMPv4、IGMPV4、UDP和TCP等等。2.2課程設計的意義計算機網(wǎng)絡課程設計是計算機網(wǎng)絡課程的一個延續(xù)，是計算機網(wǎng)絡工程專業(yè)的一門專業(yè)實踐課，其主要內(nèi)容是使用C+實現(xiàn)理論課講授的網(wǎng)絡技術(shù)，如校驗和法的驗證等。課程設計所涉及的工作過程主要包括熟悉網(wǎng)絡知識的原理，邏輯設計，使用C+編碼實現(xiàn)

4、，調(diào)試和分析等。通過本課程設計，使學生全面了解和掌握計算機網(wǎng)絡課程上講述的相關(guān)原理，并提高使用C+解決相關(guān)問題的能力。該課程設計能夠提高學生網(wǎng)絡工程的應用能力，可以提高分析問題和解決問題的能力和團隊協(xié)作的能力。二.程設計的內(nèi)容和要求2.1課程設計的內(nèi)容計算校驗和的算法稱為網(wǎng)際校驗和算法，簡單來說，就是把被校驗的數(shù)據(jù)按16位進行累加，然后取反碼。若數(shù)據(jù)字節(jié)長度為奇數(shù)，則在數(shù)據(jù)尾部補一個字節(jié)的0以湊成偶數(shù)。關(guān)于計算校驗和算法更詳細的信息請參考RFC 1071。2.2課程設計的要求根據(jù)前面介紹的算法，編制程序為給定數(shù)據(jù)計算校驗和。(1）以命令行形式運行：check_sum infile其中check

5、_sum為程序名，infile為輸入數(shù)據(jù)文件名。(2）輸出：數(shù)據(jù)文件的校驗和。三、課程設計的相關(guān)技術(shù)3.1 計算校驗和有很多數(shù)學方法可以用來提高校驗和的計算速度，下面我們將就此展開討論。3.1.1 交換性與結(jié)合性因為校驗和主要考慮被校驗數(shù)據(jù)中所包含字節(jié)數(shù)量的是奇數(shù)還是偶數(shù)，所以校驗和的計算可以以任意順序進行，甚至可以把數(shù)據(jù)進行分組后再計算。例如，用A、B、C、D，Y，Z分別表示一系列八位組，用a,b這樣形式的字節(jié)來表示a*256+b的整數(shù)，那么16位校驗和就可以通過以下形式給出：A,B+C,D+Y,Z 1A,B+C,D+Z,0 2在這里，+代表1補數(shù)加法，即將前面的16位校驗和按位取反。1可以

6、以（A,B+C,D+J,0+(0,K+Y,Z) 3的形式進行計算。3.1.2 字節(jié)順序的自主性打破被校驗數(shù)據(jù)中的字節(jié)順序仍可以計算出正確的16位校驗和。例如，我們交換字節(jié)組中兩字節(jié)的順序，得到B,A+D,C+Z,Y 4所得到的得結(jié)構(gòu)與1式是相同的（當然結(jié)果也是要進行一次反轉(zhuǎn)的）。為什么會是這樣呢？我們發(fā)現(xiàn)兩種順序獲得的進位是相同的，都是從第15位到第0位進位以及從第7位到第8位進位。這也就是說，交換字節(jié)位置只是改變高低位字節(jié)的排列順序，但并沒有改變它們的內(nèi)在聯(lián)系。因此，無論底層的硬件設置中對字節(jié)的接收順序如何，校驗和都可以被準確地校驗出來。例如，假設校驗和是以主機序（高位字節(jié)在前低位字節(jié)在后）

7、計算的數(shù)據(jù)幀，但以網(wǎng)絡序（低位字節(jié)在前高位字節(jié)在后）存放在內(nèi)存中。每一個16位的字中的字節(jié)在傳送過程中都交換了順序，在計算校驗和之后仍會先交換位置再存入內(nèi)存，這樣就與接受到的原本以網(wǎng)絡序存儲的數(shù)據(jù)幀中的校驗和項保持一致了。3.1.3 并進行計算某些機器的字處理長度是16位的倍數(shù)，這樣可以提高它的計算速度。由于加法所具有的結(jié)合性，我們沒有必要按照順序?qū)γ總€字節(jié)進行累加。相反，我們可以利用這一特點對它們進行并行累加。并行地計算校驗和只是增加了每次累加的信息長度。例如，在一個323位的機器上，我們可以一次增加4個字節(jié)，即A,B,C,D+。計算結(jié)束后再把累加和“折疊”起來，把一個32位的數(shù)值變?yōu)?6位

8、，這樣產(chǎn)生的新的進位也要循環(huán)累積起來。此外，在此仍不考慮字節(jié)順序的問題，我們可以用D,C,B,A+或B,A,D,C+;這樣的順序來計算校驗和，最終再通過交換16位校驗和中的字節(jié)序來得到正確的值。這些改變順序的方法都是為了讓所有的偶數(shù)字節(jié)進入一個校驗和字節(jié)，所有的奇數(shù)字節(jié)進入一個校驗和字節(jié)。3.2 一些編碼技術(shù)可以提高校驗和的計算速度3.2.1延遲進位法這種方法在主要的累加循環(huán)結(jié)束之后再把進位累加進和值。其實現(xiàn)方式就是用32位的累加器獲得16位校驗和，這樣溢出就產(chǎn)生在高16位上。這種方法避免了累加器中進位傳感器機構(gòu)的設置，但是它要求的容量是原來的累加器容量的兩倍，因此它更多地依賴于硬件條件。3.

9、2.2反向循環(huán)法這種方法可以減少由循環(huán)而產(chǎn)生的負荷，有效地展開內(nèi)部的累加循環(huán)，把循環(huán)過程中的一系列加法命令復制下來。這種技術(shù)通?？梢怨?jié)省大量的時間，但是程序的邏輯設計會比較復雜。3.2.3合并數(shù)據(jù)拷貝法計算校驗和以及讀入數(shù)據(jù)都需要將數(shù)據(jù)從內(nèi)存的一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置，這樣會占用內(nèi)存總線的帶寬，而內(nèi)存總線的傳輸效率是提高校驗和計算速度的瓶頸，尤其是對于某些機器（如一些簡單的慢速的微型機）來說，這一問題尤為嚴重。為了解決這個問題，可以把數(shù)據(jù)讀入的過程與校驗的過程合二為一，也就是在讀入數(shù)據(jù)的同時計算校驗和，這樣就可以省去一次數(shù)據(jù)移動的過程，從而提高校驗和的計算速度。四.課程設計過程校驗和的計算過程

10、主要分為三個步驟：數(shù)據(jù)文件的輸入，校驗和的計算和校驗結(jié)果的輸出。其中，主要的是數(shù)據(jù)的輸入和校驗和的計算過程。4.1 數(shù)據(jù)的輸入方式輸入數(shù)據(jù)可能是以字符形式存儲的，而校驗和的計算則要采用數(shù)據(jù)形式，所以在從文件讀取數(shù)據(jù)時，都要進行字符到數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換。1）將讀入的ASCII碼轉(zhuǎn)化為相應的整型變量。if(ch>=0&&<=9)ch-=0;elseif(ch>=a&&ch<=f)ch=ch-a+10;elseif(ch>=A&&ch<=F)ch=ch-A+10;2)在使用C+編程時直接使用16進制的方式打開輸入文件。I

11、fstream in(argv1,ios:nocreate);i.setf(ios:hex);4.2 校驗和的計算校驗和算法是本程序的核心部分，在2.5節(jié)中我們介紹了一些相關(guān)的算法，而應用最為普遍的是端循環(huán)進位法。端循環(huán)進位的算法如下：將數(shù)據(jù)按一定數(shù)位進行累加，最高位的進位則循環(huán)加入最低位。待校驗的數(shù)據(jù)按16位為一個單位相加，采用端循環(huán)進位，最后對所得16位的數(shù)據(jù)取反碼。因為待校驗的數(shù)據(jù)是以字節(jié)方式分隔的，所以為了方便，將16位的數(shù)據(jù)分成高8位和低8位分別處理。該算法的代碼如下：endaroundcarry(int &highyte,int &lowbyte)while(hig

12、hbyte>0xff|lowbyte>0xff)0 /高8位或低8位中的任何一方產(chǎn)生了溢出（進位）lowbyte+=(highbyte>>8); /低字節(jié)加上高字節(jié)超過8位的進位highbyte=highbutr&0xff; /清除高字節(jié)的進位highbyte+=(lowbyte>>8); /高字節(jié)加上來自低字節(jié)的進位lowbyte=lowbyte&0xff; /清除低字節(jié)的進位4.3 程序流程圖圖4-1給出了一個流程的參考方案。程序開始，初始化 ch,count,sum,checksum 從文件讀取一個字符 Ch=EOF？ Ch= Ch轉(zhuǎn)換

13、為相應的8位數(shù)據(jù)，count+ Count偶數(shù)？ Ch低4位送入chr低四位 Ch低4位送入chr高4位得到chr 值 將32位sum折疊到16位 求sum反碼并輸出 結(jié)束 （count/2）%2=1? 得到sum Chr和sum低8位相加 Chr和sum高8位相加 Y Y Y Y N N N N 圖4-1 程序流程圖五.相關(guān)擴展前面我們提到，校驗和還有其他一些計算方法，下面我們就來簡要介紹以下利用延遲進位法進行計算的方法。延遲進位法的算法描述：將進位累加的過程延遲到整個累加循環(huán)結(jié)束之后進行，這樣可以提高計算速度。5.1 主要的實現(xiàn)過程while(!infile.eof()/判斷文件是否結(jié)束，

14、若否則對被校驗的16位數(shù)據(jù)進行累加int h, 1;/分別表示16位數(shù)據(jù)的高8位和低8位infile>>hex>>h;/從文件中讀入一個16進制表示的數(shù)據(jù)，作為高8位if(infile.eof() l=0;/若后面沒有其他數(shù)據(jù)，將0作為低8位else infile>>hex>>1;/若后面還有數(shù)據(jù)，讀入下一個作為低8位sum+=(h*256+l);/將組合好的16位數(shù)據(jù)累加到sum中infile.close();/關(guān)閉文件check_sum=short(sum&0xffff)+(sum>>16);/將32位累加和轉(zhuǎn)換為16位數(shù)

15、據(jù)/若累加過程中有向高16位的進位，則要將進位部分加到低16位上check_sum=-check_sum;/對累加和取反碼5.2 程序流程圖圖4-2給出了一個相關(guān)擴展的流程圖。開始 命令行輸入正確？ 創(chuàng)建輸入文件流，打開指定輸入文件，32位累加器sum置0文件結(jié)束？ 讀入下一個字節(jié)數(shù)據(jù)作為高8位后面還有數(shù)據(jù)？ 讀入下一個字節(jié)數(shù)據(jù)作為低8位將組合好的16位數(shù)據(jù)加到sum中歐輸出格式提示 退出 關(guān)閉文件 取sum的低16位sum&oxffff Sum高16位為0？ 將sum高16位數(shù)據(jù)sum>>16加到低16位上對所得數(shù)據(jù)取反，即為check_sum 輸出check_sum 結(jié)

16、束 Y 低8位置0N N N Y Y N 圖4-2 相關(guān)擴展的流程圖六.編程實現(xiàn)6.1 程序源代碼/在E盤新建一個文本文檔，命名為1.txt(這一步非常重要)#include<stdio.h>#include<stdlib.h>void main(int argc,char *argv)/¼ÆËãУÑéºÍFILE *fp;char ch;unsigned char chrl,chrh;unsigned int count=0,checksum=0,chr=0;unsi

17、gned long int sum=0;if(fp=fopen("E:1.txt","r")=NULL)printf("nn File can't be opened£¡");exit(1);printf("nnthe type of output:data-sumnn");while(1)if(ch=fgetc(fp)!=EOF)count+;if(ch!=' ')if(count%12=0)printf("n");if(ch>='0&

18、#39;&&ch<='9')ch-='0'elseif(ch>='a'&&ch<='f')ch=ch-'a'+10;elseif(ch>='A'&&ch<='F')ch=ch-'A'+10;if(count%2=1)chrh=ch<<4;elsechrl=ch&0x0f;chr=chrh|chrl;if(count%4=2)sum+=chr<<8;elseif

19、(count%4=0)sum+=chr;printf("%x-%1x ",chr,sum);elsecount-;elsebreak;if(sum>>16)checksum=(long(sum>>16)+long(sum&0x0000ffff);checksum=checksum&0x0000ffff;printf("nnsum:%1x-checksum:%x",sum,checksum);printf("nnsource:argc=%d,targv=%sn",argc,argv1);fclos

20、e(fp);七.程序的調(diào)試及分析程序運行結(jié)果如下:圖7-1運行結(jié)果示意圖在E盤下建立的1.txt文檔的內(nèi)容如下：圖7-2 1.txt遇到的問題：在調(diào)試程序的過程中，我遇到了不少的問題，比如在E盤沒有新建一個文本文檔時，這時系統(tǒng)會提示“內(nèi)存不能為read”,而在E盤新建了一個文件夾后，就會顯示上圖所示的結(jié)果。由于該程序比較短，所以實現(xiàn)的結(jié)果就比較簡單。后來還發(fā)現(xiàn)計算checksum時出了一點點小錯誤，但是經(jīng)過改正得到了解決。解決辦法：通過向同學詢問請教，自己查閱相關(guān)的資料以及上網(wǎng)百度，解決了該問題。八.課設計小結(jié)本次計算機網(wǎng)絡課程設計維持了一周的時間，通過這次的課程設計，使我對網(wǎng)絡協(xié)議中校驗和的設置與計算有了很好的理解與掌握，拓寬了我網(wǎng)絡方面的知識，同時也加強了我程序設計的能力，不得不說這次的課程設計讓我收獲很大。本次課程設計主要是完成校驗和的計算，由于之前對這方面的知識了解不是很多，所以在課設剛開始的我們都不知道從何入手，隨后我結(jié)合老師發(fā)給我們的資料對校驗和做了進一步的了解，才對校驗和的知識有了一定的掌握，并且知道了設置校驗和的作用。計算校驗和的算法其實就是把被校驗的數(shù)據(jù)按16位進行累加，然后取反碼。若數(shù)據(jù)字節(jié)長度為奇數(shù)，則在數(shù)據(jù)尾