计算机网络课设-模拟Ethernet帧的发送过程

.课 程 设 计2014——2015学年 第2学期课程名称 计算机网络 学 院 计算机科学与技术学院 专 业 软件工程专业 班 级*** 姓 名 *** 指导教师 ***课程实践设计任务书学生姓名： *** 专业班级： *** 指导教师：刘东飞工作单位：计算机学院题目二: 模拟Ethernet帧的发送过程初始条件：（1）学习相关知识（2）C/C++/VC/VB/JAVA语言（3）PC机一台要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）编写程序模拟Ethernet节点的数据发送流程。

具体要求：1）用两个线程a和b来模拟Ethernet上的两台主机。

2）用一个双字类型变量Bus来模拟总线（将其初始化为“\0”，并且总线等于“\0”时表示总线空闲）。

3）两个子线程向总线发送自己的数据。

数据用该线程的线程号进行模拟，发送数据用线程号和Bus的“或”操作进行模拟（即Bus＝Bus|ID，ID为该线程的线程号）。

4）每台主机需向总线上成功发送10次数据，如果其中某次数据发送失败，则该线程结束。

5）发送流程必须遵循CSMA/CD。

随即延迟算法中的冲突窗口取0.005。

在数据发送成功（即Bus＝＝ID）后，报告“ID send success”，产生冲突（即Bus！＝ID）后报告“ID send conllision”，发送失败（即冲突计数值为0）后报告“ID send failure”。

随着主机发送成功次数增加，报告其已发送成功的次数，如“主机A发送成功数＝3”。

时间安排：第一、二天：查阅资料，学习算法第三、四天：编程调试第五天：书写报告指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录一、知识背景 (5)1.网络协议 (5)2.以太网 (5)3.CSMA/CD协议 (5)4.截断二进制指数退避算法 (6)二、程序设计分析 (7)1.程序框架 (8)2.环境介绍 (8)3.数据结构 (9)4.子线程 (9)5.获得子线程ID (9)6.发送数据 (10)三、实验截图 (11)四、课设总结 (13)五、程序清单 (13)一、知识背景1. 网络协议开放系统互连参考模型 (Open System Interconnect 简称OSI）是国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合制定的开放系统互连参考模型，为开放式互连信息系统提供了一种功能结构的框架。

它从低到高分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层TCP/IP协议定义了一个在因特网上传输的包，称为IP数据报(IP Datagram)。

这是一个与硬件无关的虚拟包，由首部和数据两部分组成，其格式如图所示。

首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的。

在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。

首部中的源地址和目的地址都是IP协议地址。

2. 以太网以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。

以太网络使用CSMA/CD （载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。

以太网与IEEE802.3系列标准相类似。

包括标准的以太网（10Mbit/s)、快速以太网（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太网。

它们都符合IEEE802.33. CSMA/CD协议CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）即带冲突检测的载波监听多路访问技术。

在传统的共享以太网中，所有的节点共享传输介质。

如何保证传输介质有序、高效地为许多节点提供传输服务，就是以太网的介质访问控制协议要解决的问题CSMA/CD是一种争用型的介质访问控制协议。

它起源于美国夏威夷大学开发的ALOHA网所采用的争用型协议，并进行了改进，使之具有比ALOHA协议更高的介质利用率。

主要应用于现场总线Ethernet中。

另一个改进是，对于每一个站而言，一旦它检测到有冲突，它就放弃它当前的传送任务。

换句话说，如果两个站都检测到信道是空闲的，并且同时开始传送数据，则它们几乎立刻就会检测到有冲突发生。

它们不应该再继续传送它们的帧，因为这样只会产生垃圾而已；相反一旦检测到冲突之后，它们应该立即停止传送数据。

快速地终止被损坏的帧可以节省时间和带宽。

CSMA/CD控制方式的优点是：原理比较简单，技术上易实现，网络中各工作站处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制。

但在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降。

CSMA/CD应用在 OSI 的第二层数据链路层它的工作原理是: 发送数据前先侦听信道是否空闲 ,若空闲，则立即发送数据。

若信道忙碌，则等待一段时间至信道中的信息传输结束后再发送数据；若在上一段信息发送结束后，同时有两个或两个以上的节点都提出发送请求，则判定为冲突。

若侦听到冲突,则立即停止发送数据，等待一段随机时间,再重新尝试。

其原理简单总结为：先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发4. 截断二进制指数退避算法截断二指数指数退避算法并不复杂。

具体的退避算法如下：1.确定基本退避时间，它就是争用期。

以太网把争用期定为51.2us。

对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。

也可以说争用期是512比特时间。

1比特时间就是发送1比特所需要的时间。

所以这种时间单位与数据率密切相关。

2.从离散的整数集合[0,1,…,]中随机取出一个数，记为r。

重传应推后的时间就是r倍的争用期。

上面的参数k按下面的公式计算：k=Min[重传次数，10]可见当重传次数不超过10时，参数k等于重传次数;但当重传次数超过10时，k就不在增大而一直等于10。

3.当重传达16次仍不能成功时(这表明同时打算发送的数据站太多，以致连续发生冲突)，则丢弃该，并向高层报告。

例如，在第1次重传时，k=1，随机数r从整数{0,1}中选一个数。

因此重传推迟的时间是0或争用期，在这两个时间中随机选择一个。

若再发生碰撞，则重传时，k=2，随机数r就从整数{0,1,2,3}中选一个数。

因此重传推迟的时间是在0,2,4和6这4个时间中随机抽取一个。

同样，若在发生碰撞，则重传时k=3，随机数r就从整数{0,1,2,3,4,5,6,7}中选一个数。

以此类推。

若连续多次发生冲突，就表明可能有较多的站参与争用信道。

但使用退避算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数而增大（这也称为动态退避），因而减小发生碰撞的概率，有利于整个系统的稳定。

我们还注意到，适配器每发送一个新的帧，就要执行一次CMSA/CD算法。

适配器对过去发生过的碰撞并无记忆功能。

因此，当好几个适配器正在执行指数退避算法时，很可能有某一个适配器发送的新帧能够碰巧立即成功插入到信道中，得到了发送权。

我们可以看出，以太网在发送数据时，如果帧的前64字节之内没有发生冲突，那么后续的数据就不会发生冲突。

换句话说，如果发生冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节，因此以太网规定了最短有效的帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

收到了这种无效帧就应当立即丢弃。

二、程序设计分析1.2. 环境介绍操作系统Ubuntu 14.04G++ 4.4.33. 数据结构使用wchar_t 来表示双字节。

而在C++中推荐使用const来代替define4. 子线程C++11开始支持多线程编程，之前多线程编程都需要系统的支持，在不同的系统下创建线程需要不同的API如pthread_create()，Createthread()，beginthread()等，使用起来都比较复杂，C++11提供了新头文件<thread>、<mutex>、<atomic>、<future>等用于支持多线程。

在主函数中使用thread的构造函数可以调用子线程并且传参数。

主线程调用thread 对象t1、t2的join函数等待线程执行结束。

5. 获得子线程ID在C++11中的获取线程ID方式与pthread中的略微不同，我们使用的方法是在子线程中，使用std::this_thread::get_id()来获取子线程ID。

但此时获取到的ID是一个hashmap。

我们可以将其转化为字符串，再由字符串转化为ID值6. 发送数据在此函数中如果BuS=0 的时候才能执行，否则一直循环。

使用位运算BUS|=Pid模拟线路上的电压变化。

使用uniform_int_distribution需要引入<random>头文件，这个是C++11中新的随机数方式，在之前都是使用C语言中的方式。

而是用这种方式，出现的rand数是“真随机数”，而非C语言中的假随机数。

使用randnum(0,pow(2,min(RepeatCounter,10)-1))来实现截断二进制指数退避算法。

如果RepeatCounter>=16，则放弃发送此包。

注意，此处使用printf而非cout，因为cout不是线程安全的，易出现字符串打断现象。

而printf是线程安全的。

可以直接使用。

在编译这个程序的时候，需要使用其中std=c++0x是指使用的是C++11的标准。

–pthread 是指需要引入pthread 头文件。

然后在同文件夹下会生成a.out的程序。

使用./a.out即可运行程序。

三、实验截图四、课设总结这个课设的题目我非常喜欢，看似简单的题目实际包含了很多东西：多线程、CSMA/CD 协议、以及对截断二进制指数退避算法的理解。

在我做这个的时候，实际上之前很少使用多线程技术，尤其是C++11这种网上资料还比较少的多线程库。

在做这个的时候，我分别参考了《C++标准库-自学教程与参考手册》中对thread库的说明，以及《深入理解计算机系统》中并发编程部分对pthread的讲解。

感觉收获很大。

在做这个课设的时候，我专门把开发环境搬到了Linux上面去做。

之前一直很少使用Ubuntu，但这次却从搭建环境，编译程序各部分，对Linux有了一个初步的认识。

以后也会将开发环境越来越多的向Linux下迁移。

在学习理论知识的时候，虽然对这部分很熟悉。

但总感觉缺少了些什么，做了这个题目之后才有了更深的体会和理解。

明白了这些协议的重要性。

受益匪浅！五、程序清单#include <iostream>#include <thread>#include <random>#include <cmath>#include <unistd.h>#include <sstream>#include <cstdio>using namespace std;wchar_t BUS='\0'; //双字类型变量Bus来模拟总线const int conflictmax=16;const int conflictwindow=0.005;void call_thread(char name){//auto Pid=this_thread::get_id();int RepeatCounter=1;//记录目前是第几次发送int SuccessCounter=1;//记录成功发送的个数，最大为1//cout<<Pid.hash()<<"\n"<<endl;std::stringstream ss;ss << std::this_thread::get_id();wchar_t Pid = std::stoull(ss.str());while(true){if(BUS=='\0')//当总线为空的时候，可以发送数据{BUS|=Pid;sleep(2);if(BUS==Pid){printf("ID %s send success\n",ss.str().c_str()); printf("主机%c发送成功数%d\n",name,SuccessCounter); BUS=0;RepeatCounter=1;SuccessCounter++;if(SuccessCounter>10)return;}else{RepeatCounter++; //重发次数加一if(RepeatCounter>=16){printf("ID %s send failed\n",ss.str().c_str()); return;}else{//使用截断二进制退避算法uniform_int_distribution<unsigned>randnum(0,pow(2,min(RepeatCounter,10)-1));default_random_engine e;printf("ID %s send conllision\n",ss.str().c_str()); auto sleeptime=randnum(e);sleep(sleeptime);continue;}}}}}int main(){std::thread t1(call_thread,'A');std::thread t2(call_thread,'B');t2.join();t1.join();return 0;}。