封裝Ethernet幀課程設計

目錄課程設計目的..............................5課程設計要求.............................5相關知識..................................5課程設計分析..............................8相關擴展.................................10程序代碼..................................14運行結果與分析............................16參考文獻..................................171課程設計目的幀是在數(shù)據(jù)鏈路層中進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母締挝?。熟悉幀結構對于理解網(wǎng)絡協(xié)議的概念、網(wǎng)絡層次結構與協(xié)議執(zhí)行過程具有重要的意義。本課程設計的主要目的是通過封裝Ethernet幀，了解Ethernet幀中各個字段的含義與用途。2課程設計要求根據(jù)后面介紹的IEEE802.3幀結構，編寫程序?qū)⒅付〝?shù)據(jù)封裝為Ethernet幀。1〕以命令行形式運行：EncapFrameinput_fileoutput_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。相關知識1.幀術語“幀〞來源于串行線路上的通信。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，使它們成為一個幀。Ethernet從某種程度上可以被看做是機器之間的數(shù)據(jù)鏈路層連接。首先我們來認識一下幀結構，EthernerV2.0標準和IEEE802.3標準中的Ethernet幀結構有一些差異，這里我們按802.3標準的幀結構進行討論。圖為幀結構圖前導碼幀前定界符目的地址源地址長度字段數(shù)據(jù)字段校驗字段〔7B〕〔1B〕〔2/6B〕〔2/6B〕〔2B〕〔長度可變〕〔4B〕圖1.幀結構圖如上圖所示，802.3標準的Ethernet幀結構由7局部組成。前導碼與幀前定界符字段前導碼由56位〔7B〕的10101010…10101010位序列組成。幀前定界符可以視為前導碼的延續(xù)。1B的幀前定界符結構為10101011.如果將前導碼與幀前定界符一起看，那么在62位101010…1010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接收后不需要保存，也不記入幀頭長度中。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點地址與發(fā)送結點的硬件地址。在Ethernet幀中，目的地址和源地址字段長度可以是2B或6B。目前的Ethernet都使用6B長度的地址。Ethernet幀的目的地址可以是單播地址、多播地址與播送地址，目的地址的第一位為0表示單播地址，為1表示多播地址，目的地址為全1那么表示播送地址。長度字段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)的最小長度為46B，最大長度為1500B。設置最小幀長度的目的是使每個接收結點能夠有足夠時間檢測到?jīng)_突。數(shù)據(jù)字段幀數(shù)據(jù)字段的最小長度為46B。如果幀的LLC數(shù)據(jù)少于46B，那么應將數(shù)據(jù)字段填充只46B。填充字符是任意的，不計入長度字段值中。校驗字段幀校驗字段〔FCS〕采用32位的CRC校驗。校驗的范圍包括目的地址字段、源地址字段、長度字段、LLC數(shù)據(jù)字段。此處，為了簡便起見，采用8位的CRC校驗。CRC校驗的生成多項式為：G(X)=X^8+X^2+X+1某些幀結構中還會包括幀類型字段，用來識別此幀所承載的數(shù)據(jù)的類型。當一個幀到達指定的計算機時，操作系統(tǒng)根據(jù)幀類型決定用哪個協(xié)議軟件模塊對它進行處理。自識別幀的主要優(yōu)點是，可以在同一物理網(wǎng)絡中使用多個協(xié)議而互不干擾。2.CRC校驗循環(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位二進制碼序列，以一定的規(guī)那么產(chǎn)生一個校驗用的r位監(jiān)督碼，附在原始信息的后邊，構成一個新的二進制碼序列，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)那么進行檢驗，以確定傳送中是否出錯。CRC編碼的代數(shù)學原理將一個碼組表示為一個多項式，碼組中的各碼元作為多項式的系數(shù)。設編碼前的原始信息多項式為P〔x〕，P〔x〕最高次冪加1等于k；生成多項式為G(x),它的最高次冪等于r；CRC多項式為R(x)；編碼后的帶CRC的信息多項式為T(x)。發(fā)送方編碼的方法是：P(x)乘以x^r，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，那么說明傳輸中無錯誤發(fā)生，否那么說明傳輸有錯誤。CRC的根本實現(xiàn)以CRC-8〔X^8+X^2+X^1為例，它由多個移位存放器和加法器組成。編碼、解碼前將各存放器初始化為0，輸入位作為最右邊異或操作的輸入之一。三個存放器上的移位操作同時進行，均為左移一位，左邊的存放器的最左一位作為三個異或操作的輸入之一。每次移位時，最右邊的存放器內(nèi)容作為中間異或操作的輸入之一，中間的存放器的內(nèi)容作為最左邊異或操作輸入之一，各個異或操作的結果作為與它左邊那個存放器的移入位。重復以上步驟，每輸入一位就做一次移位操作，直到輸入了所有要計算的數(shù)據(jù)為止。這時，這個存放器組中的數(shù)據(jù)就是CRC-8的結果。CRC的工作原理是：CRC在發(fā)送端編碼和接收端校驗時，都可以利用事先約定的生成多項式G(x)來得到，K位要發(fā)送的信息位可對應于一個(k-1)次多項式K(x),r位冗余位對應于一個〔r-1〕次多項式R(x)，由r位冗余位組成的n=k+r位碼對應于一個(n-1)次多項式T(x)=X^r*K(x)+R(x)。循環(huán)冗余校驗碼的特點CRC校驗碼的檢錯能力很強,不僅能檢查出離散錯誤,還能檢查出突發(fā)錯誤.CRC校驗碼具有以下的檢錯能力：CRC校驗碼可檢測出所有單個錯誤，所有奇數(shù)位錯誤，所有雙位的錯誤，所有小于、等于校驗位長度的突發(fā)錯誤。課程設計分析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碼、定界符、目的地址、源地址、長度字段的相應數(shù)值按順序?qū)懭刖涂梢粤?。其中，長度字段的值即為要發(fā)送的數(shù)據(jù)的實際長度。有以下兩種方式來獲得長度字段的值。方法一：While(!in.eof()){in.get(a);buf[j]=a;j++;}方法二：infile.open(argv[1],ios::binary);infile.seekg(0,ios::end);shortlength=(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)字段的長度。802.3標準中規(guī)定了幀數(shù)據(jù)字段的最小長度為46B，最大長度為1500B。如果數(shù)據(jù)缺乏46B，那么需要通過填充0來補足；假設數(shù)據(jù)長度超過1500B，那么將超過局部封裝入下一個幀進行發(fā)送。由于幀頭局部應該包括6B目的地址、6B源地址、2B長度字段以及4B幀校驗字段，因此幀頭局部長度為18B。前導碼與幀前定界符不計入幀頭長度中。那么，Ethernet幀的最小長度為64B，最大長度為1518B。填充數(shù)據(jù)字段的代碼如下：if(len==1500){…len=0;}if(len<46){for(i=len;i<46;i++)fr.data[i]=0x00;}data_len=len;3.CRC校驗幀封裝的最后一步就是對數(shù)據(jù)進行校驗，并將校驗結果記入幀校驗字段。CRC編碼實際上就是一個循環(huán)移位的模二運算。流程描述為：把CRC中的值置為0在原始數(shù)據(jù)input后添加8個0while(數(shù)據(jù)未處理完)beginif〔crc首位是1〕crc=crcXOR100000111把crc中的值左移一位，從input中讀取一位新的數(shù)據(jù)并置于crc的0位crc中的后8位就是經(jīng)過CRC-8校驗的余數(shù)。這樣，我們只需要看后8位即可，因此上面流程可以簡化。構造一個8位的存放器crc，初始值為0，數(shù)據(jù)依次移入crc的0位，同時crc的7位移出。當移出的數(shù)據(jù)為1時，crc才和00000111進行XOR運算；移出數(shù)據(jù)為0時，不做運算。每次crc中數(shù)據(jù)位為1時還需要對crc0位進行處理偽代碼：while(數(shù)據(jù)未處理完)beginif(crc的首位是1)crc左移1位crc=crcXOR00000111elsecrc左移1位if〔從input中讀入的新的數(shù)據(jù)為1〕將crc0位置1end相關擴展1.比特型運算法定義一個存放器組，初始化為全1.依照電路圖，每輸入一個信息位，相當于一個時鐘脈沖到來，從高到低依次移位。移位前信息位與bit0相加產(chǎn)生臨時位，其中bit15移入臨時位，bit10、bit3還要加上臨時位。當全部信息位輸入完成后，從存放器組取出它們的值，這就是CRC碼。該算法的代碼如下：typedefunion{u16val;struct{u16bit0:1;u16bit1:1;…}bits；}CRCREGSCRCRESGSregs；voidcrcInitRegisters(){regs.val=0xffff;}voidcrcInputBit(bitin){bita;a=regs.bits.bit0^in;regs.bits.bit0=regs.bits.bit1;regs.bits.bit1=regs.bits.bit2;regs.bits.bit2=regs.bits.bit3;regs.bits.bit3=regs.bits.bit4^a;regs.bits.bit4=regs.bits.bit5;regs.bits.bit5=regs.bits.bit6;regs.bits.bit6=regs.bits.bit7;regs.bits.bit7=regs.bits.bit8;regs.bits.bit8=regs.bits.bit9;regs.bits.bit9=regs.bits.bit10;regs.bits.bit10=regs.bits.bit11^a;regs.bits.bit11=regs.bits.bit12;regs.bits.bit12=regs.bits.bit13;regs.bits.bit13=regs.bits.bit14;regs.bits.bit14=regs.bits.bit15;regs.bits.bit15=a;}u16crcGetRegisters(){returnregs.val;}crcInputBit(bitin){bita;a=regs.bits.bit0^in;regs.val>>1;if(a)regs.val^=0x8408;}2.字節(jié)型算法數(shù)字通信系統(tǒng)一般是對一幀數(shù)據(jù)進行CRC校驗，而字節(jié)是幀的根本單位。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事實：計算本字節(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位二進制序列數(shù)的CRC全部計算出來，放在一個表里，那么編碼時只要從表中查找對應的值進行處理即可。算法如下：存放器組初始化為全1。存放器組向右移動一個字節(jié)。剛移出的那個字節(jié)與數(shù)據(jù)字節(jié)進行異或運算，得出一個指向值表的索引。將索引所指的表值與存放器組做異或運算。數(shù)據(jù)指針加1，如果數(shù)據(jù)沒有全部處理完，那么重復步驟2.存放器組取反，得到CRC，附加在數(shù)據(jù)之后。驗證算法：存放器組初始化為全1.存放器組向右移動一個字節(jié)。剛移出的那個字節(jié)與數(shù)據(jù)字節(jié)進行異或運算，得出一個指向值表的索引。將索引所指的表值與存放器組做異或運算。數(shù)據(jù)指針加1，如果數(shù)據(jù)沒有全部處理完，那么重復步驟2.判斷存放器組的值是否等于“MagicValue〞,假設相等那么通過，否那么失敗。圖2程序流程圖：圖3.CRC計算流程圖程序代碼#include<iostream.h>#include<fstream.h>voidmain(intargc,char*argv[]){ if(argc!=3) { cout<<"請按以下格式輸入命令行:framerinputfileoutputfile"<<endl; return; } fstreamfile; file.open(argv[2],ios::in|ios::out|ios::binary|ios::trunc); for(inti=0;i<7;i++)file.put(char(0xaa)); file.put(char(0xab)); longpCrcs=file.tellp(); chardst_addr[6]={char(0x00),char(0x00),char(0x80),char(0x1a),char(0xe6),char(0x65)}; file.write(dst_addr,sizeof(dst_addr)); ifstreaminfile; infile.open(argv[1],ios::binary); infile.seekg(0,ios::end); shortlength=(short)infile.tellg(); file.put(char(length/256)); file.put(char(length%256)); char*data=newchar[length]; infile.seekg(0,ios::beg); infile.read(data,length); infile.close(); deletedata; if(length<46)for(inti=0;i<46-length;i++);file.put(char(0x00)); longpCrc=file.tellp(); file.put(char(0x00)); shorttotal=short(file.tellp())-(short)pCrcs;file.seekg(pCrcs,ios::be