1、學(xué) 號： 課 程 設(shè) 計題 目幀封裝學(xué) 院計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專 業(yè)軟件工程專業(yè)班 級軟件0902班姓 名指導(dǎo)教師2012年6月20日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 軟件0902班 指導(dǎo)教師： 工作單位： 計算機學(xué)院 題目一: 幀封裝 初始條件：（1）學(xué)習(xí)相關(guān)知識（2）C/C+/VC/VB/JAVA語言（3）PC機一臺要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）編寫程序，根據(jù)給出的原始數(shù)據(jù)，組裝一個IEEE802.3格式的幀（題目默認(rèn)的輸入文件為二進(jìn)制原始數(shù)據(jù)（文件名為input1和input2）。1）要求程序為命令行程序。比如，可執(zhí)行文件名為fra

2、mer.exe，則命令行形式如下：framer inputfile outputfile其中，inputfile為原始數(shù)據(jù)文件，outputfile為輸出結(jié)果。使用操作系統(tǒng)、語言、編程環(huán)境不限，但在報告中必須注明。2）輸出：對應(yīng)input1和input2的結(jié)果分別為output1和output2。時間安排：第一、二天：查閱資料，學(xué)習(xí)算法第三、四天：編程調(diào)試第五天：書寫報告指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄1.引言42.以太網(wǎng)幀格式的發(fā)展43.IEEE802.3幀結(jié)構(gòu)54.錯檢測65.實現(xiàn)步驟75.1前導(dǎo)符75.2目的地址及源地址75.3長度及數(shù)據(jù)字段85.4幀

3、檢驗序列86.源代碼107.運行結(jié)果示例178.心得體會189.參考文獻(xiàn)19幀封裝1. 引言以太網(wǎng)這個術(shù)語通常是指由DEC、Intel和Xerox公司在1982年聯(lián)合公布的一個標(biāo)準(zhǔn)，它是當(dāng)今TCP/IP采用的主要的局域網(wǎng)技術(shù)，它采用一種稱作CSMA/CD的媒體接入方法。在TCP/IP世界中，以太網(wǎng)IP數(shù)據(jù)報文的封裝在RFC 894中定義。以太網(wǎng)采用廣播機制，所有與網(wǎng)絡(luò)連接的工作站都可以看到網(wǎng)絡(luò)上傳遞的數(shù)據(jù)。通過查看包含在幀中的目標(biāo)地址，確定是否進(jìn)行接收或放棄。如果證明數(shù)據(jù)確實是發(fā)給自己的，工作站將會接收數(shù)據(jù)并傳遞給高層協(xié)議進(jìn)行處理。以太網(wǎng)采用CSMA/CD（Carrier Sense Mult

4、iple Access/Collision Detection）媒體訪問機制，任何工作站都可以在任何時間訪問網(wǎng)絡(luò)。在以太網(wǎng)中，所有的節(jié)點共享傳輸介質(zhì)。如何保證傳輸介質(zhì)有序、高效地為許多節(jié)點提供傳輸服務(wù)，就是以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制協(xié)議要解決的問題。幀是在數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸與交換的基本單位。構(gòu)造幀對于理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的概念、協(xié)議執(zhí)行過程以及網(wǎng)絡(luò)問題處理的一般方法具有重要的意義。本次課程設(shè)計的目的是應(yīng)用數(shù)據(jù)鏈路層與介質(zhì)訪問控制層的知識，根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層的基本原理，通過構(gòu)造一個具體的Ethernet幀，從而深入理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基本概念與網(wǎng)絡(luò)問題處理的一般方法。2. 以太網(wǎng)幀格式的發(fā)展1980，DEC、Int

5、el、Xerox制訂了Ethernet I的標(biāo)準(zhǔn)；1982，DEC、Intel、Xerox又制訂了Ehternet II的標(biāo)準(zhǔn)；1982，IEEE開始研究Ethernet的國際標(biāo)準(zhǔn)802.3；1983，迫不及待的Novell基于IEEE的802.3的原始版開發(fā)了專用的Ethernet幀格式；1985，IEEE推出IEEE 802.3規(guī)范，后來為解決EthernetII與802.3幀格式的兼容問題，推出折衷的Ethernet SNAP格式。3. IEEE802.3幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上是以很小的稱為幀（Frame）的單位傳輸?shù)?，幀由幾部分組成，不同的部分執(zhí)行不同的功能。幀通過特定的稱為網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的

6、軟件進(jìn)行成型，然后通過網(wǎng)卡發(fā)送到網(wǎng)線上，通過網(wǎng)線到達(dá)它們的目的機器，在目的機器的一端執(zhí)行相反的過程。接收端機器的以太網(wǎng)卡捕獲到這些幀，并告訴操作系統(tǒng)幀已到達(dá)，然后對其進(jìn)行存儲?！皫睌?shù)據(jù)大致由兩部分組成：幀頭和幀數(shù)據(jù)。幀頭包括接收方主機物理地址的定位以及其它網(wǎng)絡(luò)信息。幀數(shù)據(jù)區(qū)含有一個數(shù)據(jù)體。為確保計算機能夠解釋數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)，這兩臺計算機使用一種公用的通訊協(xié)議?；ヂ?lián)網(wǎng)使用的通訊協(xié)議簡稱IP，即互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。IP數(shù)據(jù)體由兩部分組成：數(shù)據(jù)體頭部和數(shù)據(jù)體的數(shù)據(jù)區(qū)。數(shù)據(jù)體頭部包括IP源地址和IP目標(biāo)地址，以及其它信息。數(shù)據(jù)體的數(shù)據(jù)區(qū)包括用戶數(shù)據(jù)協(xié)議（UDP），傳輸控制協(xié)議（TCP），還有數(shù)據(jù)包的其他信息

7、。這些數(shù)據(jù)包都含有附加的進(jìn)程信息以及實際數(shù)據(jù)。866246 15004前導(dǎo)符目的地址源地址長度數(shù)據(jù)FCS圖3.1 IEEE802.3幀結(jié)構(gòu)常用的以太網(wǎng)MAC幀格式用兩種標(biāo)準(zhǔn)，一種是DIX Ethernet V2標(biāo)準(zhǔn)（即以太網(wǎng)V2標(biāo)準(zhǔn)），另一種是IEEE的802.3標(biāo)準(zhǔn)。這里只介紹符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的幀，其格式如圖3.1所示。它的組成比較簡單，由6個字段組成。接下來對這6個部分詳細(xì)介紹一下。（1）前導(dǎo)符：由7字節(jié)的前同步碼和1字節(jié)的幀起始定界符構(gòu)成。前同步碼：這個字段有7個字節(jié)（56位）交替出現(xiàn)的1和0，它的作用就是提醒接收系統(tǒng)有幀的到來，以及使到來的幀與計時器進(jìn)行同步。前同步碼其實是在

8、物理層添加上去的，并不是（正式的）幀的一部分。前同步碼的目標(biāo)是允許物理層在接收到實際的幀起始符之前檢測載波，并且與接收到的幀時序達(dá)到穩(wěn)定同步。幀起始定界符：這個字段用1字節(jié)（10101011）作為幀開始的信號，表示一幀的開始。最后兩位是11，表示下面的字段是目的地址。（2）目的地址（DA） 48位，表示幀準(zhǔn)備發(fā)往目的站的地址，共6個字節(jié)，可以是單址（代表單個站）、多址（代表一組站）或全地址（代表局域網(wǎng)上的所有站）。當(dāng)目的地址出現(xiàn)多址時，表示該幀被一組站同時接收，稱為“組播”（Multicast）。目的地址出現(xiàn)全地址時，表示該幀被局域網(wǎng)上所有站同時接收，稱為“廣播”（Broadcast），通常以

9、DA的最高位來判斷地址的類型，若第一字節(jié)最低位為“0”則表示單址，第一字節(jié)最低位為“1”則表示組播。（3）源地址（SA）48位，表明該幀的數(shù)據(jù)是哪個網(wǎng)卡發(fā)的，即發(fā)送端的網(wǎng)卡地址。（4）該字段是“長度/類型”。當(dāng)這個字段的值大于0X0600時（相當(dāng)于十進(jìn)制的1536），就表示“類型”。這樣的幀和以太網(wǎng)V2 MAC幀完全一樣。只有當(dāng)這個字段的值小于0X0600時才表示“長度”，即MAC幀的數(shù)據(jù)部分長度。（5）數(shù)據(jù)字段的最小長度必須為46字節(jié)以保證幀長至少為64字節(jié)，這意味著傳輸一字節(jié)信息也必須使用46字節(jié)的數(shù)據(jù)字段：如果填入該字段的信息少于46字節(jié)，該字段的其余部分也必須進(jìn)行填充。數(shù)據(jù)字段的默認(rèn)最

10、大長度為1500字節(jié)。（6）幀檢驗序列（FCS）是32位冗余檢驗碼（CRC），檢驗除前導(dǎo)、SFD和FCS以外的內(nèi)容。當(dāng)發(fā)送站發(fā)出幀時，一邊發(fā)送，一邊逐位進(jìn)行CRC檢驗。最后形成一個32位CRC檢驗和填在幀尾FCS位置中一起在媒體上傳輸。接收站接收后，從DA開始同樣邊接收邊逐位進(jìn)行CRC檢驗。最后接收站形成的檢驗和若與幀的檢驗和相同，則表示媒體上傳輸幀未被破壞。反之，接收站認(rèn)為幀被破壞，則會通過一定的機制要求發(fā)送站重發(fā)該幀。4. 錯檢測在校驗字段中，使用的是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。循環(huán)冗余編碼(CRC)是一種重要的線性分組碼、編碼和解碼方法，

11、具有簡單、檢錯和糾錯能力強等特點，在通信領(lǐng)域廣泛地用于實現(xiàn)差錯控制。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。利用CRC進(jìn)行檢錯的過程可簡單描述如下：在發(fā)送端根據(jù)要傳送的k位二進(jìn)制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個校驗用的r位監(jiān)督碼(CRC碼)，附在原始信息的后邊，構(gòu)成一個新的二進(jìn)制碼序列(共k+r位)，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)則進(jìn)行檢驗，以確定傳送中是否出錯。這個規(guī)則在差錯控制理論中稱為“生成多項式”。循環(huán)冗余校驗碼的特點：（1）CRC校驗碼可檢測出所有單個錯誤。（2）CRC校驗碼可檢測出所有奇數(shù)位錯誤。（3）CRC校驗碼可檢測出所有雙

12、位的錯誤。（4）CRC校驗碼可檢測出所有小于、等于校驗位長度的突發(fā)錯誤。（5）CRC校驗碼可以 的概率檢測出長度為(K+1)位的突發(fā)錯誤。5. 實現(xiàn)步驟123455.1 前導(dǎo)符前導(dǎo)符包括7字節(jié)的前發(fā)送碼和1字節(jié)的幀起始定界符。由于這些都是固定寫法，因此添加起來非常簡單。對應(yīng)方法如下。public static boolean appendPrefix() / 前導(dǎo)符中前7個字節(jié)是交替出現(xiàn)的1和0for (int i = 0; i < 7; +i) tmp.add(0XAA);/ 前導(dǎo)符的第8個字節(jié)是約定好的0XABtmp.add(0XAB);return true;5.2 目的地址及源地

13、址我們知道，目的機器的硬件地址是通過ARP協(xié)議得到的，這需要發(fā)送ARP請求包才能得到，為了簡化程序的設(shè)計，突出本次設(shè)計的要點，因此將目的地址固定寫成“FF:FF:FF:FF:FF:FF”。類似地，獲得本機地址也需要通過一系列的函數(shù)調(diào)用，在程序中就直接寫成已知的硬件地址“74:E5:0B:7D:CE:3A”。對應(yīng)方法如下。public static boolean appendAddress() / 由于未顯式要求目的地址，因此程序中將目的地址固定為FF:FF:FF:FF:FF:FFfor (int i = 0; i < 6; +i) tmp.add(0XFF);/ 本機地址為74:E5:

14、0B:7D:CE:3Atmp.add(0X74);tmp.add(0XE5);tmp.add(0X0B);tmp.add(0X7D);tmp.add(0XCE);tmp.add(0X3A);return true;5.3 長度及數(shù)據(jù)字段對于發(fā)送端來說，必須先獲得數(shù)據(jù)的長度，將長度字段添加到幀中之后才能再添加數(shù)據(jù)字段，這就限定了必須訪問輸入文件兩次，第一次用于獲得文件長度，第二次用于封裝幀。當(dāng)然在進(jìn)行CRC計算的時候有一些地方可以優(yōu)化。本程序的文件是通過FileInputStream進(jìn)行讀入，通過FileOutputStream進(jìn)行輸出。5.4 幀檢驗序列計算FCS是本程序最困難的部分。算法描述

15、如下：（1）輸入需要檢驗的序列M，以及發(fā)送方與接收方約定好的除數(shù)P，并初始化余數(shù)R為0，若P有n位，則R有n 1位；（2）對序列M中的每一位（記為b）進(jìn)行步驟（3）。結(jié)束后R即為FCS。（3）將R左移1位，并將b添加到R的最低位，判斷R的最高位，如果是0，則繼續(xù)（3），如果是1，則將R和P進(jìn)行按位與操作，結(jié)果保存到R中。圖5.4.1 CRC流程圖相應(yīng)的流程圖如圖所示，其實現(xiàn)如下，其中curByte為一個字節(jié)，currentR為從開始到現(xiàn)在已經(jīng)循環(huán)計算所得的余數(shù)。public static int nextR(int currentR, int curByte) int mask = 0X80;

16、int curBit = 0;for (int i = 0; i < 8; +i, mask >>= 1) / 計算當(dāng)前位，0或者1curBit = (curByte & mask) = 0 ? 0X0 : 0X1;/ 首先將余數(shù)左移1位，并把當(dāng)前位添加到余數(shù)的最低位currentR <<= 1;currentR += curBit;/ 判斷余數(shù)最高位是否為0/ 若為1，則將除數(shù)和余數(shù)進(jìn)行異或操作，將結(jié)果保存為余數(shù)if (currentR & MASK_HIGH) != 0) currentR = currentR P;return current

17、R;6. 源代碼import java.io.File;import java.io.FileInputStream;import java.io.FileOutputStream;import java.io.IOException;import java.io.InputStream;import java.io.OutputStream;import java.util.LinkedList;import java.util.List;public class framer public static void main(String args) throws IOException i

18、f (args.length < 2) System.out.println("參數(shù)錯誤！");return;FileInputStream fin = null;FileOutputStream fout = null;try fin = new FileInputStream(new File(args0);fout = new FileOutputStream(args1); catch (IOException e) System.out.println("文件錯誤！");return;/ 添加前導(dǎo)符appendPrefix();/ 添加目

19、的地址和源地址appendAddress();/ 添加數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容以及幀檢驗序列appendData(fin, fout);fin.close();fout.close();/* * 添加8個字節(jié)的前導(dǎo)符 * * return 添加成功時返回true，否則false */public static boolean appendPrefix() / 前導(dǎo)符中前7個字節(jié)是交替出現(xiàn)的1和0for (int i = 0; i < 7; +i) tmp.add(0XAA);/ 前導(dǎo)符的第8個字節(jié)是約定好的0XABtmp.add(0XAB);return true;/* * 添加6個

20、字節(jié)的目的地址，和添加6個字節(jié)的源地址 * * return 添加成功時返回true，否則false */public static boolean appendAddress() / 由于未顯式要求目的地址，因此程序中將目的地址固定為FF:FF:FF:FF:FF:FFfor (int i = 0; i < 6; +i) tmp.add(0XFF);/ 本機地址為74:E5:0B:7D:CE:3Atmp.add(0X74);tmp.add(0XE5);tmp.add(0X0B);tmp.add(0X7D);tmp.add(0XCE);tmp.add(0X3A);return true;/

21、* * 添加2個字節(jié)的數(shù)據(jù)長度，接著添加數(shù)據(jù)字段，最后添加幀檢驗序列FCS * * param in * 輸入文件 * param out * 輸出流 * return 添加成功時返回true，否則false */public static boolean appendData(InputStream in, OutputStream out) int data = new intMAX_SIZE;/ 文件長度int size = 0;/ 當(dāng)前字節(jié)int curByte = 0;try while (size < MAX_SIZE && (curByte = in.rea

22、d() != -1) datasize+ = curByte; catch (IOException e1) e1.printStackTrace();return false;/ 首先添加2個字節(jié)的數(shù)據(jù)長度tmp.add(size >> 8);tmp.add(size);/ 然后添加數(shù)據(jù)字段for (int i = 0; datai != -1 && i < size; +i) tmp.add(datai);/ 若數(shù)據(jù)長度不足，則補充填充字節(jié)if (size < MIN_SIZE) for (int i = 0; i < MIN_SIZE - s

23、ize; +i) tmp.add(FILL_BYTE);/ 計算FCS/ 初始化余數(shù)為0int R = 0;try for (int b : tmp) / 每次讀入一個字節(jié)，將它添加到幀中，并且循環(huán)計算FCSout.write(b);R = nextR(R, b); catch (IOException e) e.printStackTrace();return false;try / 最后添加4個字節(jié)的幀檢驗序列out.write(R >> 24);out.write(R >> 16);out.write(R >> 8);out.write(R); cat

24、ch (IOException e) e.printStackTrace();return false;return true;public static int nextR(int currentR, int curByte) int mask = 0X80;int curBit = 0;for (int i = 0; i < 8; +i, mask >>= 1) / 計算當(dāng)前位，0或者1curBit = (curByte & mask) = 0 ? 0X0 : 0X1;/ 首先將余數(shù)左移1位，并把當(dāng)前位添加到余數(shù)的最低位currentR <<= 1;c

25、urrentR += curBit;/ 判斷余數(shù)最高位是否為0/ 若為1，則將除數(shù)和余數(shù)進(jìn)行異或操作，將結(jié)果保存為余數(shù)if (currentR & MASK_HIGH) != 0) currentR = currentR P;return currentR;/ 數(shù)據(jù)字段的最大長度public static final int MAX_SIZE = 1500;/ 數(shù)據(jù)字段的最小長度public static final int MIN_SIZE = 46;/ 填充字節(jié)public static final int FILL_BYTE = 0X00;/ 發(fā)送方與接收方約定好的除數(shù)Ppubl

26、ic static final int P = 0XACEF1357;/ 用于判斷余數(shù)最高位是否為1的掩碼public static final int MASK_HIGH = 0X8000;private static List<Integer> tmp = new LinkedList<Integer>();7. 運行結(jié)果示例為了演示需要，首先新建一個文本文件，內(nèi)容為“ChenJiaHui”（不含引號），如圖7.1所示。用文本文件的一個好處是可以方便的檢測輸出文件（即幀的格式）是否正確。圖7.1 輸入文件接下來將源程序進(jìn)行編譯和運行。命令“javac”表示將源代碼編

27、譯成類文件。命令“java”表示執(zhí)行一個類文件，其后跟著的“input1 input2”分別表示輸入文件和輸出文件，其中輸入文件是所要包裝的數(shù)據(jù)，即上文提到的文本文件，輸出文件表示將幀封裝好之后保存到哪個文件中，文件不存在時自動創(chuàng)建，存在時會覆蓋。如圖7.2所示。圖7.2 編譯運行由于實驗只需要將數(shù)據(jù)封裝成幀，并不要求檢驗，但如果不檢驗的話，又不知道是否封裝正確，因此我另外寫了一段程序，用以檢驗幀是否封裝正確。在圖7.3中可以看到，這個類的名字為“check”，它接收一個參數(shù)，用以指明所要檢驗的幀，這里是“input2”，即由framer程序產(chǎn)生的幀文件。由于input2是一個二進(jìn)制文件，因此

28、無法通過一般的編輯器將其打開以查看其中的內(nèi)容。圖7.3 檢測輸出文件第一行有64位，前56位是前同步碼，后8位是幀起始定界符。第二行是目的地址。因為沒有顯示指定目的地址，所以程序中將目的地址設(shè)為“FF:FF:FF:FF:FF:FF”。第三行是源地址。源地址為本機的MAC地址。第四行是長度，表示原輸入文件的大小。由于輸入文件input1只含有“ChenJiahui”10個字符，因此該文件的大小的確是10.接下來十行是源文件中的10個字節(jié)，為了避免輸出過于冗余，所以只輸出前10個字節(jié)，可以看到，每個字節(jié)均對應(yīng)正確的字符，比如“1000011”表示字符“C”。最后四行是4個字節(jié)的FCS。以上輸出中，有些字節(jié)不足8位，是因為均忽略了前導(dǎo)0。8. 心得體會幀是數(shù)據(jù)鏈路層最重要的概念。數(shù)據(jù)鏈路層屬于計算機網(wǎng)絡(luò)的低層。我們知道，兩個主機之間的數(shù)據(jù)傳輸，總是在一段一段的鏈路上傳送的，也就是說，在兩個相鄰結(jié)點之間（主機和路由器或兩個路由器之間）傳送數(shù)據(jù)是直接傳送