滑动窗口协议实验SWP.doc

实验一 滑动窗口协议实验
u 实验目的：
在NetRiver实验系统中，用C语言实现滑动窗口协议中的1比特滑动窗口协议和后退N帧协议，理解滑动窗口协议
u 实验原理和说明：
（1）.窗口机制
    滑动窗口协议的基本原理就是在任意时刻，发送方都维持了一个连续的允许发送的帧的序号，称为发送窗口；同时，接收方也维持了一个连续的允许接收的帧的序号，称为接收窗口。发送窗口和接收窗口的序号的上下界不一定要一样，甚至大小也可以不同。不同的滑动窗口协议窗口大小一般不同。发送方窗口内的序列号代表了那些已经被发送，但是还没有被确认的帧，或者是那些可以被发送的帧。下面举一个例子（假设发送窗口尺寸为2，接收窗口尺寸为1）：

   分析：①初始态，发送方没有帧发出，发送窗口前后沿相重合。接收方0号窗口打开，等待接收0号帧；②发送方打开0号窗口，表示已发出0帧但尚确认返回信息。此时接收窗口状态不变；③发送方打开0、1号窗口，表示0、1号帧均在等待确认之列。至此，发送方打开的窗口数已达规定限度，在未收到新的确认返回帧之前，发送方将暂停发送新的数据帧。接收窗口此时状态仍未变；④接收方已收到0号帧，0号窗口关闭，1号窗口打开，表示准备接收1号帧。此时发送窗口状态不变；⑤发送方收到接收方发来的0号帧确认返回信息，关闭0号窗口，表示从重发表中删除0号帧。此时接收窗口状态仍不变；⑥发送方继续发送2号帧，2号窗口打开，表示2号帧也纳入待确认之列。至此，发送方打开的窗口又已达规定限度，在未收到新的确认返回帧之前，发送方将暂停发送新的数据帧，此时接收窗口状态仍不变；⑦接收方已收到1号帧，1号窗口关闭，2号窗口打开，表示准备接收2号帧。此时发送窗口状态不变；⑧发送方收到接收方发来的1号帧收毕的确认信息，关闭1号窗口，表示从重发表中删除1号帧。此时接收窗口状态仍不变。
    若从滑动窗口的观点来统一看待1比特滑动窗口、后退n及选择重传三种协议，它们的差别仅在于各自窗口尺寸的大小不同而已。1比特滑动窗口协议：发送窗口=1，接收窗口=1；后退n协议：发窗口>1，接收窗口>1；选择重传协议：发送窗口>1,接收窗口>1。
（2）.1比特滑动窗口协议
    当发送窗口和接收窗口的大小固定为1时，滑动窗口协议退化为停等协议（stop－and－wait）。该协议规定发送方每发送一帧后就要停下来，等待接收方已正确接收的确认（acknowledgement）返回后才能继续发送下一帧。由于接收方需要判断接收到的帧是新发的帧还是重新发送的帧，因此发送方要为每一个帧加一个序号。由于停等协议规定只有一帧完全发送成功后才能发送新的帧，因而只用一比特来编号就够了。其发送方和接收方运行的流程图如图所示。

(3).后退n协议
    由于停等协议要为每一个帧进行确认后才继续发送下一帧，大大降低了信道利用率，因此又提出了后退n协议。后退n协议中，发送方在发完一个数据帧后，不停下来等待应答帧，而是连续发送若干个数据帧，即使在连续发送过程中收到了接收方发来的应答帧，也可以继续发送。且发送方在每发送完一个数据帧时都要设置超时定时器。只要在所设置的超时时间内仍收到确认帧，就要重发相应的数据帧。如：当发送方发送了N个帧后，若发现该N帧的前一个帧在计时器超时后仍未返回其确认信息，则该帧被判为出错或丢失，此时发送方就不得不重新发送出错帧及其后的N帧。

   从这里不难看出，后退n协议一方面因连续发送数据帧而提高了效率，但另一方面，在重传时又必须把原来已正确传送过的数据帧进行重传（仅因这些数据帧之前有一个数据帧出了错），这种做法又使传送效率降低。由此可见，若传输信道的传输质量很差因而误码率较大时，连续测协议不一定优于停止等待协议。此协议中的发送窗口的大小为k，接收窗口仍是1。
(4).选择重传协议
    在后退n协议中，接收方若发现错误帧就不再接收后续的帧，即使是正确到达的帧，这显然是一种浪费。另一种效率更高的策略是当接收方发现某帧出错后，其后继续送来的正确的帧虽然不能立即递交给接收方的高层，但接收方仍可收下来，存放在一个缓冲区中，同时要求发送方重新传送出错的那一帧。一旦收到重新传来的帧后，就可以原已存于缓冲区中的其余帧一并按正确的顺序递交高层。这种方法称为选择重发(SELECTICE REPEAT)，其工作过程如图所示。显然，选择重发减少了浪费，但要求接收方有足够大的缓冲区空间。

u 实验代码以及代码说明：
实现代码如下：
#include "sysinclude.h"
#include <deque>
using std :: deque;
using std :: cout;
using std :: endl;
using namespace std;
extern void SendFRAMEPacket(unsigned char* pData, unsigned int len);

#define WINDOW_SIZE_STOP_WAIT 1
#define WINDOW_SIZE_BACK_N_FRAME 4 /* the max windows size */

typedef enum {data, ack, nak} frame_kind;
/* define the structure of frame and frame head */
typedef struct frame_head {
frame_kind kind;
unsigned int seq;
unsigned int ack;
unsigned char data[100];
};
typedef struct frame {
frame_head head;
unsigned int size;
};
/* define the buffer zone */
struct StoreType {
frame *pfrm;
unsigned int sz;
};

deque<StoreType> mQue;
deque<StoreType> mQue2;
bool sendWinFull = false;
int counter = 0;

/*
* 停等协议测试函数
*/
int stud_slide_window_stop_and_wait(char *pBuffer, int bufferSize, UINT8 messageType)
{
unsigned int ack;
unsigned int num;
StoreType s;
/* by the messagetype to decide */
switch(messageType) {
case MSG_TYPE_TIMEOUT:
num = ntohl(*(unsigned int *)pBuffer);
s = mQue.front();
/* if the seq is OK,send it */
if (num == ((* s.pfrm).head.seq)) {
SendFRAMEPacket((unsigned char *)(s.pfrm), s.sz);
}
break;

case MSG_TYPE_SEND:
/* prepare a new frame */
s.pfrm = new frame;
(*s.pfrm) = *(frame *)pBuffer;
s.sz = bufferSize;
mQue.push_back(s);
/* send all the data in buffer */
if (!sendWinFull) {
s = mQue.front();
SendFRAMEPacket((unsigned char *)(s.pfrm), s.sz);
sendWinFull = true;
}
break;

case MSG_TYPE_RECEIVE:
/* receive ack */
ack = ntohl(((frame *)pBuffer)->head.ack);
if (mQue.size() != 0) {
s = mQue.front();
if (ntohl(s.pfrm->head.seq) == ack) /* receive right ack seq number */
{
mQue.pop_front();
s = mQue.front();//???????
SendFRAMEPacket(((unsigned char *)s.pfrm), s.sz);/* send frames again */
}
}
else
{
sendWinFull = true; /* databuffer is empty */
}
break;
}
return 0;
}

/*
* 回退n帧测试函数
*/
int stud_slide_window_back_n_frame(char *pBuffer, int bufferSize, UINT8 messageType)
{
int ack;
int num;
int j; /* var used in loop as number */
int k;
StoreType s;/* next is to choose from the vars */
switch (messageType)
{
case MSG_TYPE_TIMEOUT:
num = ntohl(*(unsigned int *)pBuffer); /* data change */
for (j = 0; j < mQue2.size() && j < WINDOW_SIZE_BACK_N_FRAME; j++)
{
s = mQue2[j];
if ((*s.pfrm).head.seq == num)
break;
}
for (k = j; k < WINDOW_SIZE_BACK_N_FRAME && k < mQue2.size(); k++) {
s = mQue2[k];
SendFRAMEPacket((unsigned char *)(s.pfrm), s.sz);/* resend frames */
}
break;
case MSG_TYPE_SEND:
s.pfrm = new frame;
(*s.pfrm) = *(frame *)pBuffer;
s.sz = bufferSize;
mQue2.push_back(s);
if (counter < 4)
{
s = mQue2.back();/* send the N frames */
SendFRAMEPacket((unsigned char *)(s.pfrm), s.sz);
counter++;/* start the counter */
}
break;
case MSG_TYPE_RECEVE:
ack = ((frame *)pBuffer)->head.ack;/* receive correct ack */
for (j = 0; j < WINDOW_SIZE_BACK_N_FRAME && j < mQue2.size(); j++)
{
s = mQue2[j];
if (ack == (*s.pfrm).head.seq)
{
break;
}
}

if (j < mQue2.size() && j < WINDOW_SIZE_BACK_N_FRAME)
{
for (k = 0; k <= j; k++)
{
mQue2.pop_front();
counter--; /* reset cuounter */
}
}
k = counter;
for (; k < WINDOW_SIZE_BACK_N_FRAME && k < mQue2.size() && counter < 4; k++)
{
s = mQue2[k];
SendFRAMEPacket((unsigned char *)(s.pfrm), s.sz);/* continue send frames */
counter++;
}
break;
}
return 0;
}

/*
* 选择性重传测试函数
*/
int stud_slide_window_choice_frame_resend(char *pBuffer, int bufferSize, UINT8 messageType)
{
return 0;
在实现1比特协议中，利用函数参数messageType传递的参数ＭＳＧ＿ＴＹＰＥ＿ＴＩＭＥＯＵＴ，ＭＳＧ＿ＴＹＰＥ＿ＳＥＮＤ和MSG_ＴＹＰＥ＿RECEIVE，因此在函数主体中用switch进行分类，对应不同参数下的函数响应。
首先定义帧头、帧的结构，定义一个缓冲区，然后利用缓冲区的数据组装帧并调用发送函数发送组好的帧。然后利用返回的MessageType参数实现分类。在收到超时选项时，重新发送该帧（帧序号是ack），如果收到系统要发送帧，直接对缓冲区的帧进行发送；如果收到的是接受帧的确认号，先进行转换，然后对比看是否相同，如果相同并且缓冲区还没有空，继续发送，否则调用发送函数重发该帧。
在后退N帧函数中，实现的窗口大小设置为WINDOW_SIZE_BACK_N_FRAME 4，主体实现框架同一比特滑动窗口，只是多了两个计数器，分别用来记录发出的帧的seq和收到的ack。在switch语句中，对于MessageType传递的参数来作出相应的响应：①当传回的参数为超时时，先调用ntohl函数进行数据转换，再利用超时的帧号与窗口大小找到相应要重传的帧（最大帧号不超过窗口大小）；然后开始使用for循环依次发送这些帧。②传回的参数为要发送帧时，取缓冲区的数据构建新帧，然后把构建的帧缓存，启动计数器counter，开始发送帧，每发送一个帧，counter累加（不能超过窗口大小）。③参数为收到帧确认时，如果每一个ack号都是已经发送的帧头（在缓冲区里）的seq（ ack=((frame*)pBuffer)->head.ack）相同，继续发送下一组帧。发送下一组帧之前先重新编排帧号，counter也相应重新编排。在队列里如果序号k小于窗口大小并且counter小于4，用队列mQue2里的s开始继续发送帧。
u 总结：
整体来说，滑动窗口在实验中是固定的，这样便于处理帧号和ack的确认以及存储。由于实验中实现的后退N帧还是利用了messageType参数，在未收到确认帧的时候只能选择重发滑动窗口中的帧，在帧完全确认接收正确以后才能发送新帧，这样实际运行起来效率会比较低（系统必须等待对方的确认）。
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