实验二数据链路层实验

1、实验二数据链路层实验实验项目性质：设计性计划学时：4实 验 环 境： 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

2、清单计算机两台，串行电缆一根。四相关知识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，

3、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

4、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)。 (

5、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。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

6、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

7、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（0 2n 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

8、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

9、方每一帧，窗口左边向右收缩，每发送相应后窗口向右扩展。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。AB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WT2n-1 和WT+WR2

10、n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

11、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

12、校验区间透明传输区间图3-7HDLC帧结构(1) 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：01111110。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。

13、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。(3) 控制字段C(Control)标志F地址A控制C信息Infor帧校验序列FCS标志F比特序号信息帧I监控帧S无编号帧U123456780N（S）P/FN（R）10SP/FN（R）11MP/FM控制字段占8比特，其定义如图3-8所示。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。它们的简称分别是I帧，S帧和U帧。图3-8控制字段(4) 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。(5) 帧校验序列FCS(Fra

14、me 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)6、 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

15、.Windows.Forms;using System.Threading;using System.Runtime.InteropServices;using NetProject;namespace DataLink_Exp public partial class MainForm : Form static MainForm mHANDLE=null; /主窗体名柄，在线程中访问 static Thread Mon_Thread=null; /监视线程 private ChildForm sendForm = null; /发送子窗口对象 private ChildForm rcvFo

16、rm = 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(); sendFo

17、rm.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 = t

18、rue; rcvForm.Show(); this.LayoutMdi(System.Windows.Forms.MdiLayout.TileVertical);/其他排列方法：Cascade、TileHorizontal PHL = new Physical("COM3"); DLL = new DataLink(); /创建数据链路层对象 DLL.setPHL(PHL); /连接物理层 sendForm.Enabled = false; /发送窗口禁止编辑 /创建并启动监视线程 Mon_Thread = new Thread(new ThreadStart(this.M

19、onitorThread); 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

20、); 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.Uni

21、code.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

22、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(object sender, EventArgs e) /排列子窗体 this.LayoutMdi(

23、System.Windows.Forms.MdiLayout.TileVertical); /还有其他排列方法：Cascade、TileHorizontal private 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.Col

24、lections.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_Exp public partial class MainForm : Form static MainForm mHANDLE=null; /主窗体

25、名柄，在线程中访问 static Thread Mon_Thread=null; /监视线程 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 =

26、 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.MdiP

27、arent = 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、TileHorizontal PHL = new Physical("COM4"); DLL = new DataLink(); /创建数据链路层对象 DLL

28、.setPHL(PHL); /连接物理层 sendForm.Enabled = false; /发送窗口禁止编辑 /创建并启动监视线程 Mon_Thread = new Thread(new ThreadStart(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_Cl

29、ick(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) Se

30、tTextCallback 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 = En

31、coding.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);

32、 /送接收处理(本例为数据直接显示在子窗体中) private void arrToolStripMenuItem_Click(object sender, EventArgs e) /排列子窗体 this.LayoutMdi(System.Windows.Forms.MdiLayout.TileVertical); /还有其他排列方法：Cascade、TileHorizontal private 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