數(shù)據(jù)鏈路層滑動窗口協(xié)議設計與實現(xiàn)試驗匯報一、試驗任務及內(nèi)容利用所學數(shù)據(jù)鏈路層原理,設計一個滑動窗口協(xié)議并在仿真環(huán)境下編程實現(xiàn)有噪音信道環(huán)境下可靠雙工通信。信道模型為8000bps全雙工衛(wèi)星信道,信道傳輸時延270毫秒,信道誤碼率為10-5,信道提供字節(jié)流傳輸服務,網(wǎng)絡層分組長度在240~256字節(jié)范圍。實現(xiàn)有噪音信道環(huán)境下無差錯傳輸。運行程序并檢驗在信道沒有誤碼和存在誤碼兩種情況下信道利用率。提升滑動窗口協(xié)議信道利用率,依據(jù)信道實際情況合理地為協(xié)議配置工作參數(shù),包含滑動窗口大小和重傳定時器時限以及ACK搭載定時器時限。試驗環(huán)境Windows7環(huán)境PC機,MicrosoftVisualC++6.0集成化開發(fā)環(huán)境二、協(xié)議設計協(xié)議分層結構及層服務:包含物理層,數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層三層。該試驗關鍵設計數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,為實現(xiàn)有噪聲環(huán)境下高信道利用率傳輸,我們采取回退n幀（gobackn）技術協(xié)議。發(fā)送方窗口大小為31;經(jīng)過捎帶確定來完成可靠數(shù)據(jù)通信;出現(xiàn)信道誤碼造成收幀犯錯時,接收方丟棄全部后續(xù)幀,待定時器超時后發(fā)送方重發(fā)。該層提供服務:從網(wǎng)絡層接收要發(fā)送數(shù)據(jù)包,將之分拆成數(shù)據(jù)幀;按一定成幀方案完成份幀,加校驗碼,加ack等操作;進行合適流量判定和擁塞控制;開啟定時器將之傳輸給物理層。數(shù)據(jù)幀經(jīng)信道傳送給接收方,接收方數(shù)據(jù)鏈路層實施與成幀相逆操作;處理ack信息,終止定時器（或開啟ack定時器,ack成幀傳送）;判定是否為欲接收數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)是否犯錯,提交給網(wǎng)絡層。退回N步工作原理示意圖:試驗所形成幀(成幀方案):DATAFramen+=========+========+========+===============+========+|KIND(1)|ACK(1)|SEQ(1)|DATA(240~256)|CRC(4)|+=========+========+========+===============+========+ACKFrame+=========+========+========+|KIND(1)|ACK(1)|CRC(4)|+=========+========+========+NAKFrame+=========+========+========+|KIND(1)|ACK(1)|CRC(4)|+=========+========+========+CRC校驗和多項式定義:此次試驗采取CRC校驗方案為CRC-32,與IEEE802.3以太網(wǎng)校驗和生成多項式相同。生成多項式為:x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x1+1校驗和附加在數(shù)據(jù)幀尾部,接收方用帶校驗和數(shù)據(jù)來邏輯除以生成多項式,余數(shù)為零則數(shù)據(jù)無誤碼,反之有誤碼等候發(fā)送方重傳?？煽客ㄐ藕驼`碼控制方案:經(jīng)過捎帶確定來完成可靠數(shù)據(jù)通信;出現(xiàn)信道誤碼造成收幀犯錯時,接收方丟棄全部后續(xù)幀,此時發(fā)送方長久接收不到確定信息,引發(fā)定時器超時后發(fā)送方重發(fā);接收方無數(shù)據(jù)傳送造成發(fā)送方無法收到捎帶確定時,接收方確定定時器超時,結構一確定幀單獨傳送。三、軟件設計給出程序數(shù)據(jù)結構,模塊之間調(diào)用關系和功效,程序步驟。此次試驗我們對go-back-N協(xié)議進行了編寫,描述以下:數(shù)據(jù)結構:typedefenum{false,true}boolean;//blooleantypetypedefunsignedcharseq_nr;//sequenceoracknumberstypedefunsignedcharpacket[PKT_LEN];//用數(shù)組存放數(shù)據(jù)/*FRAMEkind*/#defineData1#defineAck2#defineNak3staticintphl_ready://物理層狀態(tài)next_frame_to_send;//MAX_SEQ>1;usedforoutboundstream,andinitianizenextframegoingoutack_expected;//oldestframeasyetunacknowledged,andinitianizenextackexpectedinboundframe_expected;//nextframeexpectedoninboundstream,andinitializenumberofframeexpectedinboundbuffer[MAX_SEQ+1];//buffersfortheoutboundstreamnbuffered;//outputbufferscurrentlyinuse,andinitiallynopacketsarebufferedbufferLen[MAX_SEQ+1]//bufferLen存放每個buffer中數(shù)據(jù)有效長度typedefstruct{//幀結構 unsignedcharkind;seq_nrack;seq_nrseq;packetinfo;unsignedcharcrc[4];}frame;模塊結構:給出程序中所設計子程序完成功效,子程序每個參數(shù)意義。A)staticbooleanbetween(seq_nra,seq_nrb,seq_nrc)//判定b是否是在a、c之間幀B)staticvoidput_frame(unsignedchar*frame,intlen)//crc編碼并向物理層發(fā)送C)send_data(unsignedcharkind,seq_nrframe_nr,seq_nrframe_expected,packetbuffer[],intdlen[])//生成幀D)intmain()//主函數(shù),分為五個事件(1)NETWORK_LAYER_READY,事件發(fā)生后從網(wǎng)絡層讀數(shù)據(jù),成幀;若目前物理層可用,發(fā)送。(2)PHYSICAL_LAYER_READY,事件發(fā)生后,若有未發(fā)送幀,發(fā)送,不然置物理層狀態(tài)為可用。(3)DATA_INCOMING,事件發(fā)生后,來了arg個字節(jié)數(shù)據(jù),每接收一個數(shù)據(jù),判定是否為幀尾;若為幀尾,提取一幀,去掉填充,進行校驗;若校驗結果正確,處理ack,然后處理數(shù)據(jù)。接收完arg個字節(jié),跳出。(4)ACK_TIMEOUT,事件發(fā)生后,產(chǎn)生一個不含數(shù)據(jù)ack幀,等候直到物理層有效,發(fā)送。(5)DATA_TIMEOUT,事件發(fā)生后,重發(fā)ack_expected和next_frame_to_send之間幀。算法步驟:畫出步驟圖,描述算法關鍵步驟。結束發(fā)送完成否數(shù)據(jù)幀是否丟失A生成幀并發(fā)送,B接收幀,并返回信息是是回退重傳否連接是否成功新建A、B兩站自動連接開始結束發(fā)送完成否數(shù)據(jù)幀是否丟失A生成幀并發(fā)送,B接收幀,并返回信息是是回退重傳否連接是否成功新建A、B兩站自動連接開始四、試驗結果分析(1)描述你所實現(xiàn)協(xié)議軟件是否實現(xiàn)了誤碼信道環(huán)境中無差錯傳輸功效此協(xié)議軟件實現(xiàn)了誤碼信道環(huán)境中無差錯傳輸功效(2)程序健壯性在較低誤碼率信道條件下,該程序運行平穩(wěn),未出現(xiàn)任何差錯,健壯性良好,在高誤碼率信道條件下,程序運行有時會出現(xiàn)中止,但大多數(shù)時候均運行超出二十分鐘以上,故本程序健壯性良好,但仍有值得改善之處。(3)協(xié)議參數(shù)選擇:滑動窗口大小為7,重傳定時器時限,ACK搭載定時器時限為300。在go_back_n協(xié)議中（假設接收方一直有數(shù)據(jù)發(fā)送,即無ack定時器超時現(xiàn)象）,滑動窗口大小M,信道傳輸時延a,發(fā)送速率c,幀大小f在滿足以下關系時信道利用率（M*(f/c)/[2a+2(f/c)]）靠近100%:M>=[2a+2*(f/c)]/（f/c）;因為實際數(shù)據(jù)傳送很可能在某段時間類接收方無數(shù)據(jù)反送,包含ack幀單獨傳送問題,故通常信道利用率不可能達成100%,但M選擇最少要滿足公式。至于預防M過大問題,可經(jīng)過實際測試結果分析來得到適宜M值。滑動窗口大小選擇直接包含到信道利用率和數(shù)據(jù)擁塞問題;若太小,會造成信道空閑,利用率很低;若太大,數(shù)據(jù)發(fā)送過快,會造成接收方數(shù)據(jù)鏈路層來不及處理,數(shù)據(jù)物理層及信道發(fā)生擁塞現(xiàn)象造成數(shù)據(jù)丟失,犯錯率增大,重傳率高。8000kbps信道發(fā)送256字節(jié)幀需要256*8/8000=256ms（256+270*2）/256=3.X,最大窗口應該7就行了.重傳定時器大小由發(fā)送速率、信道時延及接收方發(fā)送頻率等確定,太小會頻繁重發(fā),太大也會降低信道利用率。結合多項測試最終定為ms。ack搭載定時器時限由本站發(fā)送頻率決定,首先,為了節(jié)省帶寬應該盡可能搭載使用。其次當本站長時間無數(shù)據(jù)發(fā)送時應該盡可能早點發(fā)送ack幀。經(jīng)過數(shù)項測試,定位300ms。(4)理論分析:無差錯條件下分組層能取得最大信道利用率應該是256/262*100%=97.7,而在誤碼率為1e-5情況下應為256/262（1+262*8*0.00001）=95.5。(5)試驗結果分析:你程序運行實際達成了什么樣效率,比對理論推導給出結論,有沒有差距？給出原因。有沒有改善措施？假如沒有時間把這些方法付諸編程實施,介紹你方案。序號命令說明運行時間(秒）效率(%)備注AB1datalinkaudatalinkbu無誤碼信道數(shù)據(jù)傳輸1957.41352.5896.972datalinkadatalinkb站點A分組層平緩方法發(fā)出數(shù)據(jù),站點B周期性交替“發(fā)送100秒,停發(fā)100秒”1525.15648.5787.693datalinkafudatalinkbfu無誤碼信道,站點A和B分組層都洪水式產(chǎn)生分組1586.40996.9796.974datalinkafdatalinkbf站點A/B分組層都洪水式產(chǎn)生分組1899.68885.7985.805datalinkaf–ber1e-4datalinkbf–ber1e-4站點A/B分組層都洪水式產(chǎn)生分組,線路誤碼率設為10-41028.14938.0838.60試驗結果離預期效果存在差距,尤其在有誤碼條件下,信道利用率與理論之相比相差很大。原因有多個方面:填充字節(jié)和發(fā)送時候延遲,這首先無法縮短;信道空閑,只是因為窗口大小、重傳定時器時限和ACK搭載定時器時限選擇不是很合適,這方面,需要多做測試來確定發(fā)送端、接收端延時,再確定具體數(shù)值;另外,ack發(fā)送可能有些滯后,沒有一個非常合剪發(fā)送機制。還有一點,從網(wǎng)絡層受到數(shù)據(jù)后,我是把數(shù)據(jù)成幀后存起來,現(xiàn)在看來,考慮到ack更新,在發(fā)送時再成幀更有效率些。(6)存在問題:在“表3性能測試統(tǒng)計表”中給出了7種測試方案,在測試中你程序有沒有失敗,或者,雖未失敗,但表現(xiàn)出來性能仍有差距,你程序中還存在哪些問題?測試中沒有失敗,不過性能差距挺大。關鍵是超時時限和窗口大小問題。五、研究和探索問題1．start_timer()不是在開啟時就計時,而是在物理層發(fā)送了才開始計時;相對,start_ack_timer()是以開啟就開始計時。前者要考慮發(fā)送緩沖區(qū)等候時間,以后者考慮是ack是否被裝到了幀上。2．重傳時限設定得比較長,大部分情況下都不會超時。實踐證實,這種情況下效率相對更高一點。3．流量控制方面,首先窗口大小能夠控制。然后發(fā)送和接收緩存區(qū)大小也限制了流量。六、試驗總結和心得體會(1)完成此次試驗實際上機調(diào)試時間是多少？三天,第一天花了大約7小時討論程序結構以及函數(shù)調(diào)用,第二天完成編程并調(diào)試,第三天寫文檔和性能測試,(2)編程工具方面碰到了哪些問題？包含Windows環(huán)境和VC軟件安裝問題。該試驗要用vc++6.0,而且要在doc系統(tǒng)運行生成exe文件。(3)編程語言方面碰到了哪些問題？包含C語言使用和對C語言操控能力上問題。大約沒碰到什么問題。。碰到只是部分函數(shù)調(diào)用上。(4)協(xié)議方面碰到了哪些問題？包含協(xié)議機制設計錯誤,發(fā)覺協(xié)議死鎖,或者不能正確工作,協(xié)議參數(shù)調(diào)整等問題。成幀時,開始我們幀結構是(ack幀序號數(shù)據(jù)長度數(shù)據(jù)內(nèi)容校驗和),長度在256時成了0,以后在成幀時去掉了數(shù)據(jù)長度這項。(5)開發(fā)庫方面碰到了哪些問題？包含庫程序中BUG,庫函數(shù)文檔不夠清楚造成誤解,庫函數(shù)設計在所提供功效結構上缺憾造成編程效率低下。這些問題或提