计算机网络课程设计-数据帧的封装.doc

成绩

东华理工大学

课程设报告

题　　　 目 以太网帧的封装设计
课 程 名 称 计算机网络
院（系、部、中心） 信息工程学院
专 业 通信工程
班 级
学 生 姓 名
学 号
指 导 教 师

目 录
1．设计目的和任务 2
1．1 课程设计目的 2
1．2 课程设计任务 2
2．设计原理 2
2．1 802.3标准帧结构 2
2．2 CRC的基本实现 3
3．设计实现 4
3．1 设计思路 4
3.1.1 填充帧头部字段 4
3.1.2填充数据字段 4
3.1.3 计算填充CRC 5
3．2 流程图 6
3.2.1 程序流程图 6
3.2.2 CRC计算流程图 7
4．程序源码 8
4．1 数据输入代码 8
4．2 帧封装代码 8
5．运行结果 11
6．总结体会 12
7．参考文献 12

1.设计目的和任务
1.1课程设计目的
（1）使学生掌握网络通信协议的基本工作原理；
（2）培养学生基本掌握网络编程的基本思路和方法；
（3）能提高学生对所学计算机网络理论知识的理解能力；
（4）能提高学生对所学知识的实际应用能力和创新能力；
（5）提高学生的科技论文写作能力。
1.2课程设计任务
根据IEEE802.3格式的以太网帧格式，编写程序将原始数据封装成一个或多个帧，并将这些帧的各个字段值写入输出文件。原始数据从输入文件中获取，默认为二进制数据文件。太网帧中填写数据内容，校验字段通过CRC校验获得，数据字段的最大长度设置为100字节实现封装。

2.设计原理
2.1 802.3标准帧结构
以太网Ethernet帧格式：

前序（P）
目的地址(SD)
源地址(SA)
长度
数据
FCS
8 B
6B
6B
2B
46~1500B
4B

1. 前序字段
前序字段由7个字节的交替出现的1和0组成，设置该字段的目的是指示帧的开始并便于网络中的所有接收器均能与到达帧同步。
2.帧起始定界符字段
它可以被看作前序字段的延续。实际上，该字段的组成方式继续使用前序字段中的格式，这个一个字节的字段的前6个比特位置由交替出现的1和0构成。该字段的最后两个比特位置是11，这两位中断了同步模式并提醒接收后面跟随的是帧数据。
3.目的地址字段
目的地址字段确定帧的接收者。6个字节的源地址和目的地址字段是局域网中的所有工作站必须使用同样的地址结构。目前，几乎所有的802.3网络使用6字节寻址。

4.源地址字段
源地址字段标识发送帧的工作站。和目前地址字段类似，源地址字段的长度六个字节。当使用六个字节的源地址字段时，前三个字节表示由IEEE分配给厂商的地址，将烧录在每一块网络接口卡的ROM中。而制造商通常为其每一网络接口卡分配后字节。
5.长度字段
用于IEEE802.3的两字节长度字段定义了数据字段包含的字节数。从前序 到FCS字段的帧长度最小必须是64字节。基于最小帧长为64字节和使用六字节地址字段的要求，意味着每个数据字段的最小长度为46字节。如果传输数据少于46个字节，应将数据字段填充至46字节。不过，填充字符的个数不包括在长度字段值中，数据字段的最大长度为1500字节。
6.数据字段
数据字段的最小长度必须为46字节以保证帧长至少为64字节，这意味着传输一字节信息也必须使用46字节的数据字段：如果填入该该字段的信息少于46字节，该字段的其余部分也必须进行填充零。数据字段的最大长度为1500字节。
7. 校验序列字段
帧校验序列字段提供了一种错误检测机制，每一个发送器均计算一个包括了地址字段、长度字段和数据字段的循环冗余校验（CRC）码。发送器于是将计算出的CRC填入4字节的FCS字段。

2.2 CRC的基本实现
循环冗余编码(CRC)是一种重要的线性分组码、编码和解码方法，具有简单、检错和纠错能力强等特点，在通信领域广泛地用于实现差错控制。CRC校验码的检错能力很强，不仅能检查出离散错误，还能检查出突发错误。
利用CRC进行检错的过程可简单描述如下：在发送端根据要传送的k位二进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的r位监督码(CRC码)，附在原始信息的后边，构成一个新的二进制码序列(共k+r位)，然后发送出去。在接收端，根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。这个规则在差错控制理论中称为“生成多项式”。
循环冗余校验码的特点：（1）CRC校验码可检测出所有单个错误。（2）CRC校验码可检测出所有奇数位错误。（3）CRC校验码可检测出所有双位的错误（4）CRC校验码可检测出所有小于、等于校验位长度的突发错误。（5）CRC校验码可以的概率检测出长度为(K+1)位的突发错误

3.设计实现
3.1设计思路
3.1.1 填充帧头部字段
在这一部分需要向输出文件写入前导码、帧前定界符、目的地址、源地址和长度字段。写入前四个部分十分简单，而写入长度字段时需要计算输入文件的长度。所以计算输入文件长度的方法如下所示：
int length=0;
infile.seekg(0,ios::end);//将读指针移到文件末尾。
/*计算指针偏移量，即为输入文件的长度*/
length=infile.tellg();
/*创建字符指针并根据文件长度初始化*/
unsigned char* data=new unsigned char[length];
infile.seekg(0,ios::beg);//将读指针移到文件开始。
/*将文件数据读入到字符指针data中*/
infile.read(data,length);
file.put(char(length>>8));
/*将文件长度值按照逆序写入到输出文件的长度字段中*/
file.put(char(length&0xff));
/*将data内容写入到输出文件中*/
file.write(data,length);
这种方法采用的是使用文件流相关函数的办法，简单明了，可以先获得文件数据长度，再申请相同大小的空间，不会造成空间上的浪费。

3.1.2 填充数据字段
在数据字段中，数据字段的最小长度为46B。如果帧的LLC数据少于46B，则应将数据字段填充至46B。填充字符是任意的，不计入长度字段值中。在程序中是用一下方法实现的：
//如果输入文件长度不足46B，则用补足46B
if(length<46)
{
for(int j=length;j<46;j++)

file.put(char(0x00));
}
3.1.3计算填充CRC
帧封装的最后一步就是对数据进行校验，并将校验结果记入帧校验字段。本程序中实现的是CRC-8校验算法，方法如下所示：
file.put(char(0x00));//将数据字段后添加个
file.seekg(8,ios::beg);//将读指针指向目的地址字段，从此处开始CRC计算
unsigned char ch;//ch用来保存读入的字符。
unsigned char crc=char(0x00);//余数初始值为。
while(1)//进行CRC计算
{
file.get(ch);
/*判断是否到了文件结尾，如果是，则退出循环*/
if(ch==0xff) break;
/*对入读入的字符的位分别处理*/
for(i=0;i<8;i++)
{
/*当前余数最高位为，需要进行除法运算*/
if(0x80==(crc&(0x80)))
{
crc=(crc<<1)&(0xff);//crc左移位，最低位补。
/*将输入数据相应的值递补到余数末位*/
crc=crc|((ch&0x80)>>7);
/*进行除法运算，即与除数的低位相异或*/
crc=crc^(0x07);
}
/*当前余数的最高位为，不需要进行除法运算*/
else
{
crc=(crc<<1)&(0xff);//crc左移位，最低位补。
/*将输入数据相应位的值递补到余数末位*/
crc=crc|((ch&0x80)>>7);
}
/*读到的字符左移位，使数据下一位作为输入位*/

ch=ch<<1;
}
}
3.2程序流程图
3.2.1程序流程图

3.2.2 CRC计算流程图

4.程序源代码

4.1数据输入代码
#include<iostream>
#include<fstream>
using namespace std;
int main()
{
ofstream outfile;
outfile.open("E:\\kcsj\\test2\\in.txt",ios::binary|ios::trunc);
unsigned int ch;
cout<<"请输入要进行封装的数据，数字\“0\”代表输入结束"<<endl;
cin>>ch;
while(ch != 0)
{
outfile.write((char*)(&ch),sizeof(char));
cin>>ch;
}
outfile.close();
return 0;
}

4.2帧封装的代码
#include<iostream.h>
#include<fstream.h>
void main (int argc,char* argv[])
{
fstream file;//创建文件流
//打开指定输出文件，读写方式为以二进制方式可读可写，如文件存在则清除其内容
file.open("outcrc.txt",ios::in|ios::out|ios::binary|ios::trunc);
//写入7B前导码
for(int i=0;i<7;i++) file.put(char(0xaa));
//写入1B帧前界定符
file.put(char(0xab));
//获得当前文件指定指针位置，计算CRC时从这里开始
long pCrcs=file.tellp();

char //写入6B目的地址
dst_addr[6]={char(0x00),char(0x00),char(0xe4),char(0x86),char(0x3a),
char(0xdc)};
file.write(dst_addr,sizeof(dst_addr));
char //写入6B源地址
src_addr[6]={char(0x00),char(0x00),char(0x80),char(0x1a),char(0xe6),
char(0x65)};
file.write(src_addr,sizeof(src_addr));
ifstream infile;//创建输入文件流
infile.open("in.txt",ios::binary);
infile.seekg(0,ios::end);//将文件读指针移到末尾
short length=(short)infile.tellg();//获得位置偏移量，即为输入文件长度
file.put(char(length/256));//将该长度写入数据长度字段（2B）
file.put(char(length%256));
char* data=new char[length];
infile.seekg(0,ios::beg);
infile.read(data,length);//从输入文件中读出所有数据至data中
file.write(data,length);//将data中数据写入输出文件
infile.close();//关闭输入文件
delete data;//回收data
//数据字段不足46B的部分用0填充
if(length<46) for(int i=0;i<46-length;i++) file.put(char(0x00));
//获得当前位置，计算后的CRC码将写到这个位置
long pCrc=file.tellp();
file.put(char(0x00));//数据后补1B的0，用于crc计算
//需要进行计算的数据长度
short total=short(file.tellp())-(short)pCrcs;
file.seekg(pCrcs,ios::beg); //将读指针指向目的地址字段，从这里开始crc计算
unsigned char crc=0; //初始余数为0
while(total--)
{
unsigned char temp;
file.get(temp); //读1B的数据
//以下模拟数据除以100000111的二进制除法过程
for(unsigned char i=(unsigned char)0x80;i>0;i>>=1)

{
if(crc&0x80)
{
crc<<=1;
if(temp&i) crc^=0x01;//将输入数据相应位的值递补到余数末位
crc^=0x07;//进行除法运算（即减去除数的低8位：00000111）
}
else
{
crc<<=1;
if(temp&i) crc^=0x01;//将输入数据相应位的值递补到余数末位
}
}
}
file.seekp(pCrc,ios::beg);
length=sizeof(crc);
switch(length) //若CRC不足4B，将CRC补位至4B
{
case 1: file.put(char(0x00));
file.put(char(0x00));
file.put(char(0x00));
file.put(crc);
break;
case 2: file.put(char(0x00));
file.put(char(0x00));
file.put(crc);
break;
case 3: file.put(char(0x00));
file.put(crc);
break;
}
cout<<"帧文件"<<"outcrc.txt"<<"封装完成"<<endl;
file.close(); //关闭文件
}
5.运行结果

（1）输入数据和帧封装：
（2）outcrc.txt文件中的内容：
6.总结与体会
本次课程设计重点学习了帧封装。在查阅了很多帧的封装的知识后，对帧及其封装的方法有了一定程度的了解和掌握。在对帧的学习后，有了很大的收获，并且使帧的封装得以实现。
在设计中实现了帧的封装，主要是将帧的七个部分---前导码、帧前定界符、目的地址、源地址、长度字段、数据字段和校验字段，按顺序封装的，最后形成一个完整的帧结构。同时，在编写程序的过程中，用到了很多的函数，这些函数的运用使得程序简便而且正确的运行出来。为了正确的实现这些函数，我查阅了很多相关的资料，从中获得了大量的有用的信息，收获也颇丰富。
近一周的课程设计中，我的动手能力得到了很大的提高，而且将这学期所学的网络的知识和以前所学的编程的知识充分的联系起来，对这门课的认识又提高了一层。除此之外，在做课程设计的时候也遇到了很多的问题，最后在同学的帮助下正确的解决了。从最开始的遇到问题到最后的正确解决问题，我懂得了正确出来问题的方法，也知道了自己的不足之处，收获颇多。

7.参考文献
[1]刘化君 计算机网络与通信 [M].高等教育出版社，2009
[2]吴功宜 计算机网络课程设计 [M].机械工业出版社，2005
[3]陆魁军 计算机网络基础实践教程 [M].清华大学出版社 2005

（注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）