实验二数据链路层实验.docx

实验二数据链路层实验实验项目性质：设计性 实验环境：计划学时：4实验日期：2015年10月14日一、实验目的1、理解并掌握数据链路层协议的功能。2、进一步理解停止等待协议和滑动窗口协议的基本工作原理。3、掌握计算机网络协议的基本实现技术。4、利用RS 232C通信接口实现两台PC间传输文件。二、实验内容与要求1、设计完成数据链路层相关类；2、开发一个使用RS232C接口在两台计算机之间采用停止等待协议传输信息(文件) 的程序；3、开发一个使用RS232C接口在两台计算机之间采用滑动窗口协议传输文件的程序。 完成实验内容中的第1、2部分，有能力的同学完成全部内容。三、实验(设计)仪器设备和材料清单计算机两台，串行电缆一根。.相关知识1数据路层概述数据链路层协议应提供的基本功能有：(1) 数据在数据链路上的正常传输(建立、维护和释放)。(2) 帧定界与同步，以实现透明传输。(3) 差错控制和流量控制。(4) 透明传输。2数据成帧方法在数据链路层，为实现透明传输及进行差错控制和流量控制，在把数据送到物理层之 前，需将若干个数据组成一帧，并在其中加上其他必要的控制信息。控制信息形成(数据 成帧)的方法有以下几种：字符计数法、带字符填充的首尾界符法、带填充位的首尾标志 法、物理层编码违例法。3差错控制与流量控制为确保帧可靠地交付接收方，接收方在收到帧后，应向发送方应答，告知是否正确收 到帧，因此在数据链路层要建立差错控制机制：差错控制方法、CRC循环冗余校验、流 量控制。4数据链路层协议(1)停止等待协议停止等待协议的基本原理是：发送方在数据帧中加入校验码(CRC),由接收方检查； 若出错，返回NAK帧(否认帧)，否则发送ACK帧(确认帧)；发送方收到NAK帧后 重发数据帧，若收到ACK帧可发送下一帧。当超时计时事件发生时，重发丢失的帧，这 样可通过等待发送来实现流量控制，如图3-2所示。停止等待协议发送方的算法如下：(1) 从主机取一个数据帧。(2) V(s) <-0，发送方状态变量初始化。(3) N(s)<- V(s)(置发送序号)，将数据帧送发送缓冲区。(4) 将发送缓冲的数据发送。(5) 置超时定时器。(6) 等待(下列三种情况)。(7) 收到回答ACK，从主机取一个新数据帧，V(s) <-1-V(s)，转(3)。图3-2停止等待协议工作原理示意图(8) 收到回答NAK，转(4)。(9) 超时，转(4)。接收方的算法如下：(1) V(r) <-0,接收方状态变量初始化。(2) 等待。(3) 收到一个数据帧后，测试正确继续；否则传输出错，转(8)。(4) 如果接收到的帧序号等于期待的帧序号(N(s) = V(r)，继续；否则丢弃该数据， 转(7)。(5) 将接收帧的数据部分上交主机。(6) V(r) <-1- V(r)。(7) 向发方发ACK，转(2)。(8) 向发方发NAK，转(2)。停止等待协议的算法流程如图3-3所示，其中V(s)和V(r)分别是发送方和接收方维护 的状态变量，N(s)是发送序号。赤5m fioinLiijeiN(s：k= V(s)V(il = &日 aif I>4t4 FiamnRe<*ied Train*,顼dT*st if £fi!«l! 口u*IM舞Aid FlllEMPaS.¥ Diltdl toINrfwoL. L avetl +SeiidACK Mr)Send ACT；.7. 5帧被K弃Save Dar-f Fraini* W BnifT*t, :Send BdfnM Ti:him to 皿十成肥应 L呻mfitm J'iinifi,Wait TvpuittH¥Krcrived ACK K#Crivl NAK Tiinr OlliIIGrl NrXtDnhi5匕冲)图3-3停止等待协议的算法停止等待协议算法简单，只适合传送少量的大的帧的情况。但大的数据块要分成许多 帧传送，此时停止等待协议不适用，原因是本协议只允许同时只有一帧在链路上传送，链 路利用率低。(2)连续重传ARQ协议为了提高信道利用率，发送方发完一帧后，不必停下来等待对方的应答，可以连续发 送若干帧；如果在发送过程中收到接收方的肯定应答，可以继续发送；若收到对其中某一 帧的否认帧，则从该帧开始的后续帧全部重发，如图3-4。由于减少了等待时间，整个通 信的吞吐量就提高了，提高了信道利用率。但回退重传(Go-back-N)会导致某些已正确 接收的帧的重传，因此降低了发送效率。当误码率较低时，连续重传ARQ优于停止等待 协议；反之则不一定。图3-4连续重传ARQ协议工作原理示意图(3) 滑动窗口协议(Sliding Window Protocol)在使用连续重传ARQ协议时，如果发送端一直没有收到对方的确认信息，那么实际 上发送端并不能无限制地发送其数据帧。这是因为：(1)当未被确认的数据帧的数目太多时，只要有一帧出了差错，就可能要有很多的数 据帧需要重传，这必然要白白花费较多的时间，因而增大开销。(2) 为了对所发送出去的大量数据帧进行编号，每个数据帧的发送序号也要占用较多 的比特数，这样又增加了一些不必要开销。连续ARQ协议中，每一个要发出的帧都包含一个序列号，范围从0到最大(02n -1， 一般用n个二进制位表示)，使得序列号能恰好放入n位的字段中，n同时表示缓存器的 大小。滑动窗口协议的工作原理如下：(1) 任何时刻，发送端始终保持一个已发送但尚未确认的帧的序号表，称为发送窗口。 发送窗口的上界表示要发送的下一个帧的序号，下界表示未得到确认的帧的最小编号。发 送窗口 =上界一下界，大小可变；窗口内的序列号代表已发送了的但尚未确认的帧。(2) 发送端每发送一个帧，序号取上界值，上界加1；每接收到一个正确响应帧，下 界加1;(3) 接收端有一个接收窗口，大小固定，但不一定与发送窗口相同。接收窗口的上界 表示允许接收的序号最大的帧，下界表示希望接收的帧；(4) 接收窗口表示允许接收的信息帧，落在窗口外的帧均被丢弃。序号等于下界的帧 被正确接收，并产生一个响应帧，下界加1。接收窗口大小不变。正因为收发两端的窗口按照以上的规律不断地向前滑动，因此这种协议又称为滑动窗 口协议。当发送窗口和接收窗口的大小都等于1时，就是最初讨论的停止等待协议。下图3-5为滑动窗口的原理，它采用三位编码，顺序号为0-7,图中方框内表示发送方 可以发送7帧，序号从6开始，每发送一帧，窗口左边界向里收缩，每收到一个确认，窗 口向右滑动。接收方每一帧，窗口左边向右收缩，每发送相应后窗口向右扩展。已成山安出窗口后罂发送方缱冲区接收方缓冲区图3-5滑动窗口协议中的发送窗口和接收窗口假设窗口为7帧，最上面的A发送7帧，但发送后3帧未收到确认，于是A把窗口 收缩到4帧F3-F7。但此时B发送确认RR3表明已经收到0-2帧，并准备接收3-7帧。A 收到确认RR3,窗口向外滑动3帧，表示A可以从F3开始发送7帧。接着发送F3-F6。若 B返回确认RR4,表示已经接收这些帧，并允许A发送F7开始的7帧。图3-6滑动窗口 协议工作原理示意图。14&1沁1*5n山机|$14&廿图3-6滑动窗口协议工作原理示意图可以证明，当用n个比特进行编号时，若发送窗口的大小为WT，接收窗口的大小为 WR，则只有WTW2n-1和WT+WRW2n成立时，滑动窗口协议才能正常工作。(4)选择重传ARQ协议为了进一步提高信道的利用率，可设法只重传出现差错的数据帧或者是定时器超时的 数据帧。但这时必须加大接收窗口，以便先收下发送序号不连续但仍处在接收窗口中的那 些数据帧，等到所缺序号的数据帧收到后再一并送交主机。这就是选择重传ARQ协议。使用选择重传ARQ协议可以避免重复传送那些本来已经正确到达接收端的数据帧。 但付出的代价是在接收端要设置具有相当容量的缓存空间，这在许多情况下是不够经济 的。因此选择重传ARQ协议在目前就远没有连续重传ARQ协议使用得那么广泛。5面向比特的链路控制规程HDLC高级数据链路控制HDLC(High-level Data Link Control)是在IBM公司著名的体系结构 SNA上的数据链路层的面向比特的规程SDLC(Synchronous Data Link Control)基础上发展 起来的，由ISO把SDLC修改后称为国际标准ISO 3309。从网络层交下来的分组，变成为数据链路层的数据。数据链路层的数据传送是以帧为 单位的。也就是说，数据链路层的PDU是帧。帧是一个具有固定的格式数据块。一个HDLC 帧由标志、地址、控制、信息及帧校验等5个字段组成。如图3-7所示。HDLC有三种帧 类型，由控制字段加以区分。HDLC帧中各字段的作用及含义如下：标志F地址A 控制C 信息Infor帧校验序列FCS标志F*帧校验区间*,透明传输区间图3-7 HDLC帧结构 标志字段F(Flag)帧的边界，标识一个帧的开始与结束；当连续传输两个帧时，前一个帧的结束标志字 段F可以兼作后一帧的起始标志字段。其内容为：0111111Q在两个标志字段之间的比特串中，如果碰巧出现了和标志字段F一样的比特组合，那 么就会误认为是帧的边界。为了避免出现这种错误，HDLC采用零比特填充法使一帧中两 个F字段之间不会出现6个连续1。(2)地址字段 A(Address)基本单位为8比特，需要时可以8比特为单位扩展。这时用地址字段的第1位表示扩 展位，其余7位为地址位。当某个地址字段的第1位为0时，则表示下一个地址字段的后 7位也是地址位。当这个地址字段的第1位为1时，即表示这已是最后一个地址字段了。控制字段C(Control)控制字段占8比特，其定义如图3-8所示oHDLC用其将帧划分为信息帧(Information)、 监督帧(Supervisory无编号帧(Unnumbered)等三大类。它们的简称分别是I帧，S帧和U信息字段可以任意长，只有信息帧才有该字段。(5)帧校验序列 FCS(Frame Check Sequence)字段本字段共占16bit，校验的范围是从地址字段的第1个比特起，到信息字段的最末1 个比特为止。它采用的生成多项式是x16十x12+x5十1，即CRCCCITT。HDLC的通信过程要经过建立数据链路、数据传输、数据链路拆除三个阶段。五、结果分析（可根据需要附加页）舞虚拟丰邙区动6。|汉化Serial ports expllorerManage portsPort access listcurtom pinout锂兵底Gwr Tnllll-mJ仕回 Virtual ports白句 COM3 P&3D-N-8-L|-n三避j据蟀殷验X况tMi j ?* Sent: 56 Bytes kReceived: 82 Bytes : 卜曲 Baudrate emulation: Dis :Pino-uti Standard点哂 COM4 9 600-N-8-1|-n以植卜推业x数握锥路诲i 卜 * Sent: 402 Bytes 卜 fn Received: 66 Bytes? 枷甘 Baudrate emulation: Dis Pirout: StandardL 回 Other virtual portsiprFinnt port:Second port: COM4COM3Custom pinout preset- StandardSave prssetSei standard pinoutDelete presetSelect inea st the IN side of the pair and bind them ta the OUT sde signals to customis pinauts.IN sid e of th e pairRTS ->ElDTR >DSR. CCDOUT' ”cNot canreded?jts i i-i- n .1L.OUT sick CTSDSR0DCDRlChoose whidi sigral lines ct one end should be canrededto signal lines at the alher end.匚ir h a I n nro-c e F"|i六、主要源代码using System;using System.Collections.Generic;using System.ComponentModel;using System.Data;using System.Drawing;using System.Text;using System.Windows.Forms;using System.Threading;using System.Runtime.InteropServices;using NetProject;namespace DataLink_Exppublic partial class MainForm : Formstatic MainForm mHANDLE=null;主窗体名柄，在线程中访问private ChildForm sendForm = null;发送子窗口对象private ChildForm rcvForm = null;接收子窗口对象static Physical PHL = null;/物理层实体static DataLink DLL = null;/数据链路层实体delegate void SetTextCallback(byte buffer);public MainForm()InitializeComponent();mHANDLE = this;private void MainForm_Load(object sender, EventArgs e)/初始化，创建子窗体，启动监视线程sendForm = new ChildForm();sendForm.MdiParent = this;sendForm.Text ="发送窗口"/this.MdiChildren.Length.ToString();sendForm.Name = "SendWindow"sendForm.Show();rcvForm = new ChildForm();rcvForm.MdiParent = this;rcvForm.Text ="接收窗口"rcvForm.Name = "ReceiveWindow"rcvForm.rtxBox.ReadOnly = true;rcvForm.Show();this.LayoutMdi(System.Windows.Forms.MdiLayout.TileVertical);/ 其他排列方法： Cascade > TileHorizontalPHL = new Physical("COM3");DLL = new DataLink();/创建数据链路层对象连接物DLL.setPHL(PHL);理层sendForm.Enabled = false;发送窗口禁止编辑创建并启动监视线程Mon_Thread =new Thread(newThreadStart(this .MonitorThread);Mon_Thread.Start();private void disconnect_Click(object sender, EventArgs e) 关闭串行口PHL.Close();connect.Enabled = true;sendForm.Enabled = false;private void connect_Click(object sender, EventArgs e)打开串行口/port = new SerialPort("COM1", 9600, Parity.None, 8,StopBits.One);PHL.Open();sendForm.Enabled = true;connect.Enabled = false;disconnect.Enabled = true;private void Receive(byte buffer)/接收数据并显示写实际接收代码if (this.rcvForm.rtxBox.InvokeRequired) SetTextCallback d = new SetTextCallback(Receive);this.Invoke(d, new object buffer );else string Msg = Encoding.Unicode.GetString(buffer, 0,buffer.Length);编码格式转换this.rcvForm.rtxBox.Text += Msg;收到的信息显示 public static void Send(string Msg) 发送子窗体高层向低层发送数据(使用<Ctrl>+<T>)byte buffer = Encoding.Unicode.GetBytes(Msg); /发送前进行编码格式转换DLL.Send(buffer);/ PHL.Send(buf); 数据送物理层SAP下行队列，发送数据(物理层实 验用)监视线程函数，运行协议处理方法，接收传输给当前应用的数 据。private void MonitorThread() byte Msg;while (true)DLL.Run();运行数据链路层协议处理方法if (Msg = DLL.Receive() != null) 数据链路层有向高层递交的数是，从数据链路层接收数据(数据存储在Msg中)Receive(Msg); 送接收处理(本例为数据直接显示在子窗体中) private void arrToolStripMenuItem_Click(dbject sender, EventArgs e) /排列子窗体this.LayoutMdi(System.Windows.Forms.MdiLayout.TileVertical);还有其他排列方法：Cascade、TileHorizontalprivate void exitToolStripMenuItem_Click(object sender,EventArgs e)Close();private void MainForm_FormClosed(object sender,FormClosedEventArgs e)if (Mon_Thread != null)Mon_Thread.Abort();using System;using System.Collections.Generic;using System.ComponentModel;using System.Data;using System.Drawing;using System.Text;using System.Windows.Forms;using System.Threading;using System.Runtime.InteropServices;using NetProject;namespace DataLink_Exppublic partial class MainForm : Formstatic MainForm mHANDLE=null;主窗体名柄，在线程中访问private ChildForm sendForm = null;发送子窗口对象private ChildForm rcvForm = null;接收子窗口对象static Physical PHL = null;/物理层实体static DataLink DLL = null;/数据链路层实体delegate void SetTextCallback(byte buffer);public MainForm()InitializeComponent();mHANDLE = this;private void MainForm_Load(object sender, EventArgs e)/初始化，创建子窗体，启动监视线程sendForm = new ChildForm();sendForm.MdiParent = this;sendForm.Text ="发送窗口"/this.MdiChildren.Length.ToString();sendForm.Name = "SendWindow"sendForm.Show();rcvForm = new ChildForm();rcvForm.MdiParent = this;rcvForm.Text ="接收窗口"rcvForm.Name = "ReceiveWindow"rcvForm.rtxBox.ReadOnly = true;rcvForm.Show();this.LayoutMdi(System.Windows.Forms.MdiLayout.TileVertical);/ 其他排列方法： Cascade > TileHorizontalPHL = new Physical("COM4");DLL = new DataLink();/创建数据链路层对象连接物DLL.setPHL(PHL);理层sendForm.Enabled = false;发送窗口禁止编辑创建并启动监视线程Mon_Thread =new Thread(newThreadStart(this .MonitorThread);Mon_Thread.Start();private void disconnect_Click(object sender, EventArgs e) 关闭串行口PHL.Close();connect.Enabled = true;sendForm.Enabled = false;private void connect_Click(object sender, EventArgs e)打开串行口/port = new SerialPort("COM1", 9600, Parity.None, 8,StopBits.One);PHL.Open();sendForm.Enabled = true;connect.Enabled = false;disconnect.Enabled = true;private void Receive(byte buffer)/接收数据并显示写实际接收代码if (this.rcvForm.rtxBox.InvokeRequired) SetTextCallback d = new SetTextCallback(Receive);this.Invoke(d, new object buffer );else string Msg = Encoding.Unicode.GetString(buffer, 0,buffer.Length);编码格式转换this.rcvForm.rtxBox.Text += Msg;收到的信息显示 public static void Send(string Msg) 发送子窗体高层向低层发送数据(使用<Ctrl>+<T>)byte buffer = Encoding.Unicode.GetBytes(Msg); /发送前进行编码格式转换DLL.Send(buffer);/ PHL.Send(buf); 数据送物理层SAP下行队列，发送数据(物理层实 验用)监视线程函数，运行协议处理方法，接收传输给当前应用的数 据。private void MonitorThread() byte Msg;while (true)DLL.Run();运行数据链路层协议处理方法if (Msg = DLL.Receive() != null) 数据链路层有向高层递交的数是，从数据链路层接收数据(数据存储在Msg中)Receive(Msg); 送接收处理(本例为数据直接显示在子窗体中) private void arrToolStripMenuItem_Click(dbject sender, EventArgs e) /排列子窗体this.LayoutMdi(System.Windows.Forms.MdiLayout.TileVertical);还有其他排列方法：Cascade、TileHorizontalprivate void exitToolStripMenuItem_Click(object sender,EventArgs e)Close();private void MainForm_FormClosed(object sender,FormClosedEventArgs e)if (Mon_Thread != null)Mon_Thread.Abort();七、分析与思考1. 数据链路(即逻辑链路)与链路(即物理链路)有何区别？(1)数据链路与链路的区别在于数据链路除链路外，还必须有一些必要的规程来控 制数据的传输。因此，数据链路比链路多了实现通信规程所需要的硬件和软件。(2)“电 路接通了”表示链路两端的结点交换机已经开机，物理连接已经能够传送比特流了。但是， 数据传输并不可靠。在物理连接基础上，再建立数据链路连接，才是“数据链路接通了”。 此后，由于数据链路连接具有检测、确认和重传等功能，才使不太可靠的物理链路变成可 靠的数据链路，进行可靠的数据传输。当数据链路断开连接时，物理电路连接不一定跟着 断开连接。2. 数据链路层中的链路控制包括哪些功能？数据链路层的主要功能是在物理层提供的比特服务基础上，在相邻结点之间提供简单 的通信链路，传输以帧为单位的数据，同时它还负责数据链路的流量控制、差错控制。具 体地：链路管理；帧同步；流量控制；差错控制；将数据和控制信息分开；透明传输；寻 址等。3. 考察停止等待协议算法。在接收结点，当执行步骤4)时，若将“否则转到47)”改为 “否则转到(8)”，将产生什么结果？重复帧会被当做错误的帧进行重传。4. 试简述HDLC帧各字段的意义。HDLC用什么方法保证数据的透明传输？标志字段F(Flag):帧的边界，标识一个帧的开始与结束；地址字段A(Address):基本单位为8比特，需要时可以8比特为单位扩展。控制字段C(Control):控制字段占8比特。HDLC用其将帧划分为信息帧 (Information)、监督帧(Supervisory)和 无编号帧(Unnumbered)等 三大类。信息字段I(Information):信息字段可以任意长，只有信息帧才有该字段。帧校验序列FCS(Frame Check Sequence)字段：本字段共占16bit，校验的范围是从地 址字段的第1个比特起，到信息字段的最末1个比特为止。HDLC通过采用0比特填充技术来保证数据的透明传输。艮"在发送端，只要发现有 5个连续1，则立即填入一个0。在接收一个帧时，每当发现5个连续1时，就将这5个 连续1后的一个0删除，以实现原来的比特流的还原。5. 修改相关函数，实现停止等待协议。6. 修改相关函数，分别使用奇偶校验和CRC冗余校验替代现有的校验方法。7. 在设置超时计时器，超时时间间隔与那些因素有关？在利用串行口实现的过程中， 该数据值如何确定？超时时间间隔与信道、带宽等因素有关。在利用串行口实现的过程中，该数据值一般 选择重传实践略大于“在正常情况下从发完数据帧到收到确认帧所需要的平均时间”。