滑动窗口协议模拟程序的设计与实现

1、长沙理工大学网络协议编程课程设计报告梁碧莹学院 计算机与通信工程专业网络工程班级网络 08-02 学号200858080205 学生姓名梁碧莹指导教师王静课程成绩完成日期2011 年 7 月 2 日课程设计任务书计算机与通信工程学院网络工程专业课程名称网络协议编程课程设计时间20102011学年第二学期1819 周学生姓名梁碧莹指导老师王静题 目滑动窗口协议模拟程序的设计与实现主要内容：（1） 了解网络协议编程的基本知识；（2） 了解滑动窗口协议的工作机制；（3） 使用编程语言编写一个滑动窗口协议的模拟程序，按要求实现程序。要求：（1）按要求编写课程设计报告书，能正确阐述设计结果。（2）通过课

2、程设计培养学生严谨的科学态度，认真的工作作风和团队协作精神。（3）学会文献检索的基本方法和综合运用文献能力。（4）在老师的指导下，要求每个学生独立完成课程设计的全部内容。应当提交的文件：（1） 课程设计报告。（2） 课程设计附件（源程序、各类图纸、实验数据、运行截图等）。课程设计成绩评定学院计算机通信工程专业网络工程班级网络 08-02 班学号200858080205 学生姓名梁碧莹指导教师王静课程成绩完成日期2011年 7 月 2 日指导教师对学生在课程设计中的评价评分项目优良中及格不及格课程设计中的创造性成果学生掌握课程内容的程度课程设计完成情况课程设计动手能力文字表达学习态度规范要求课程

3、设计论文的质量指导教师对课程设计的评定意见综合成绩指导教师签字年月日滑动窗口协议模拟程序的设计与实现学生：梁碧莹指导老师：王静摘要： 本文主要介绍如何根据滑动窗口协议的原理，在visual c+ 的平台上设计一个滑动窗口协议模拟程序， 并最终使该程序得以实现。 本次程序设计分两部分：第一部分是发送方， 第二部分是接收方。 通过发送方和接收方之间的数据帧传输模拟，学习滑动窗口协议控制流量的原理和方法，以及滑动窗口协议的工作机制。关键词： 滑动窗口协议流量控制工作机制模拟程序design and implementation of sliding window protocol procedure

4、s student: liang biying instructor: wang jingabstract: this paper describes the principle of sliding window protocol and how to design and implement a procedure about the sliding window protocol. the program design in two parts, one is the sender, the other is the receiver. after all, studying the p

5、rinciple and method of how the sliding window protocol control the flow, and how the sliding window protocol works through the transmission of data between the sender and the receiver. keywords: sliding window protocol flow control working mechanism simulation program 目录1 引言. 11.1 滑动窗口协议概述. 11.2 本次设

6、计任务 . 12 滑动窗口协议介绍. 22.1 滑动窗口协议工作原理. 22.2 滑动窗口算法 . 23 设计方案及分析 . 53.1 窗口机制总体设计及分析. 53.2 协议选择及分析. 63.3 发送方与接收方设计流程. 64 程序测试 . 12 5 总结 . 16 5.1 程序改进与完善. 16 5.2 设计总结 . 16 参考文献 . 17 附录. 18 1 引言随着网络的不断壮大， 用户数量、 信息量的需求不断增加， 网络负荷越来越重。此时，我们迫切需要一种机制来控制网络的流量，减少网络拥堵的几率，提高传输的效率。因此，一种名为滑动窗口的协议应运而生。滑动窗口协议，是tcp 使用的一

7、种方法。该协议允许发送方在停止并等待确认前可以连续发送多个分组。由于发送方不必每发一个分组就停下来等待确认，因此该协议可以加速数据的传输。经测试证明， 该协议还能有效地解决tcp的高协议处理开销和udp 的低可靠性之间的矛盾 , 1.1滑动窗口协议概述滑 动窗 口 协 议 ， 是 tcp 使 用 的 一种 方法 。 滑 动 窗 口协 议也 称 为go-back-n(gbn)协议。在该协议中，允许发送方传输多个分组（当有多个分组时）而不需等待确认， 但它也受限于在流水账中未确认的分组数不能超过最大允许数 n。只有在接收窗口向前滑动时（与此同时也发送了确认），发送窗口才有可能向前滑动。 收发两端的

8、窗口按照以上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。当发送窗口大于 1，接收窗口等于 1 时，就是回退 n步协议。当发送窗口和接收窗口的大小均大于 1 时，就是选择重发协议。 协议中规定， 对于窗口内未经确认的分组需要重传。这种分组的数量最多可以等于发送窗口的大小，即滑动窗口的大小n减去 1（因为发送窗口不可能大于（n-1），起码接收窗口要大于等于1）。1.2本次设计任务本次的设计任务是根据滑动窗口协议的工作原理，在visual c+ 6.0的平台上用 c+ 语言编写一个基于tcp滑动窗口协议的模拟程序。要求该程序能够实现滑动窗口协议

9、的发送和接收数据帧功能，在此功能上体现滑动窗口协议的运作， 如：发送帧被接收与否的判断， 帧超时重发， 帧缓存等。2滑动窗口协议介绍2.1滑动窗口协议工作原理tcp 协议在工作时，如果发送端的tcp 协议每传输一个数据分组后，必须等待接收端的确认才能够发送下一个分组，由于的时延， 将有大量时间被用于等待确认，导致传输效率低下。为此tcp 在进行数据传输时使用了。tcp 滑动窗口用来暂存两台计算机间要传送的数据分组。每台运行tcp 协议的计算机有两个滑动窗口： 一个用于数据发送， 另一个用于数据接收。 发送端待发数据分组在排队等待送出。 被滑动窗口框入的分组， 是可以在未收到接收确认的情况下最多

10、送出的部分。 滑动窗口左端标志x的分组，是已经被接收端确认收到的分组。随着新的确认到来，窗口不断向右滑动。tcp 协议软件依靠滑动窗口机制解决传输效率和问题。它可以在收到确认信息之前发送多个数据分组。 这种机制使得网络通信处于忙碌状态，提高了整个网络的吞吐率， 它还解决了端到端的通信流量控制问题，允许接收端在拥有容纳足够数据的缓冲之前对传输进行限制。在实际运行中， tcp 滑动窗口的大小是可以随时调整的。收发端tcp 协议软件在进行分组确认通信时，还交换滑动窗口控制信息，使得双方滑动窗口大小可以根据需要动态变化，达到在提高的同时， 防止拥塞的发生。称窗口左边沿向右边沿靠近为窗口合拢，这种现象发

11、生在数据被发送和确认时。当窗口右边沿向右移动时将允许发送更多的数据，称之为窗口张开。 这种现象发生在另一端的接收进程读取已经确认的数据并释放了tcp 的接收缓存时。当右边沿向左移动时， 称为窗口收缩。 host requirements rfc强烈建议不要使用这种方式。但tcp必须能够在某一端产生这种情况时进行处理。如果左边沿到达右边沿，则称其为一个零窗口。2.2滑动窗口算法滑动窗口算法工作过程如下：首先，发送方为每 1 帧赋一个序号（sequence number） ，记作 seqnum。现在，我们忽略 seqnum是由有限大小的头部字段实现的事实，而假设它能无限增大。发送方维护 3 个变量

12、：发送窗口大小（ send window size） ，记作 sws，给出发送方能够发送但未确认的帧数的上界；lar表示最近收到的确认帧（last acknowledgement received ）的序号； lfs 表示最近发送的帧（ last frame sent ）的序号，发送方还维持如下的不变式：lar-lfs sws 。图 2-1 滑动窗口算法的时间线当一个确认到达时，发送方向右移动lar ，从而允许发送方发送另一帧。同时，发送方为所发的每个帧设置一个定时器，如果定时器在ack 到达之前超时，则重发此帧。注意：发送方必须存储最多sws 个帧，因为在它们得到确认之前必须准备重发。接收方

13、维护下面3 个变量：接收窗口大小（ receive window size），记为 rws，给出接收方所能接收的无序帧数目的上界；laf 表示可接收帧（largest acceptable frame ）的序号； lfr 表示最近收到的帧（ last frame rece ived）的序号。接收方也维持如下不变式：lfs-lar sws图 2-2 接收方的滑动窗口当一个具有顺序号seqnum 的帧到达时，接收方采取如下行动：如果seqnum lfr或 seqnum laf， 那么帧不在接收窗口内， 于是被丢弃；如果 lfrseqnum laf ，那么帧在接收窗口内，于是被接收。现在接收方需要决

14、定是否发送一个 ack 。设 seqnum to ack 表示未被确认帧的最大序号，则序号小于或等于 seqnum to ack 的帧都已收到。即使已经收到更高序号的分组，接收方仍确认 seqnum to ack 的接收。这种确认被称为是累积的（cumulative） 。然后它设置 lfa = seqnum to ack，并调整 lfa = lfr + rws。图 2-3 接收方的滑动窗口窗口协议算法有三个功能：在不可靠链路上可靠地传输帧保持帧的传输顺序支持流量控制lfr 3设计方案及分析3.1 窗口机制总体设计及分析图 3-1 发送方和接收方状态示意图设计分析：（1） 初始态，发送方没有帧发

15、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 帧但尚未确认返回信息。 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；

16、（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。3.2 协议选择及分析在设计过程中， 我主要运用了选择重传协议， 该协议能很好地弥补了1 比特滑动窗口协议和后退n 协议的缺点，是比较完善的滑动窗口协议。在

17、选择重传协议中， 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。图 3-2 选择重传协议原理图3.3 发送方与接收方设计流程由于我设计的程序为模拟程序，因此我把发送方和接收方集合在同一版面上。它们各自的功能同时在同一版面上实现及显示。在程序实现后， 我们可以通过在同一版

18、面根据提示输入相关信息，即可得到模拟过程。虽然只有一个版面， 但是发送方和接收方的功能是清晰的、相对齐全的。 发送方和接收方的设计流程如下：图 3-3 发送方与接收方设计流程根据流程图的实现步骤，我编写了以下的代码。（1）发送方程序：本程序设有四个变量： 一是窗口大小变量， 二是第一帧序列号变量， 三是最近发送的帧变量，最后一个是最近收到的确认帧变量。swpstate1.head=null; /变量初始值为空swpstate1.sendq=sendq_rear=(structsendq_slot*)malloc(sizeof(structsendq_slot); if(!swpstate1.s

19、endq) exit(1); sendq_rear-next=null; printf( 请输入窗口大小： ); scanf(%ld,&swpstate1.sws); /输入窗口大小swpstate1.rws=swpstate1.sws; /把窗口大小的值赋给变量if (swpstate1.sws0) printf( 请输入第一帧的序列号：); scanf(%ld,&swpstate1.hdr.seqnum); /输入第一帧序列号 swpstate1.nfe=swpstate1.hdr.seqnum; /把第一帧的值放进缓冲池内sendp=(struct sendq_slot*

20、) malloc (size of(struct sendq_slot); if(!sendp) exit(1); sendp-msg=swpstate1.hdr.seqnum; sendp-timeout=1; sendp-next=null; sendq_rear-next=sendp; sendq_rear=sendp; -swpstate1.sws; swpstate1.lfs=swpstate1.hdr.seqnum; /最近发送的帧取值swpstate1.lar=swpstate1.hdr.seqnum; /最近收到的确认帧取值do while(swpstate1.sws0) /当

21、窗口大小大于 0 时，执行以下的循环 sendp=(struct sendq_slot*)malloc(sizeof(struct sendq_slot); if(!sendp) exit(1); sendp-msg=swpstate1.lfs+1; /如果输入的帧序号大于之前帧序号，那么窗口向前滑动sendp-timeout=1; /时延为 1sendp-next=null; sendq_rear-next=sendp; sendq_rear=sendp; -swpstate1.sws; +swpstate1.lfs; swpstate1.hdr.acknum=0; /ack 清空swpst

22、ate1.hdr.flags=0; /存储缓冲池清空printf( 最近收到的 ack的帧序号 ：%ldn,swpstate1.lar); /输出最近收到的 ack帧序号printf( 最近发送的帧序号（发送新帧后） ：%ldn,swpstate1.lfs); /输出最近发送帧序号（2）接收方程序：图 3-4 数据包接收过程接收方的接收原则从总体上看是先判断输入的数据帧是否在接收范围之内，若是，则继续判断是否符合其他接收条件；若不是，则马上丢弃该数据帧，不再进行其他条件的判断。struct sendq_slot *sendq_rear,*sendp,*p3,*p4; /设定变量struct r

23、ecvq_slot *recvp,*recvq_rear,*p1,*p2; if(swpstate1.hdr.flags=0) /上次输入的数据帧被放置在缓存区，输入区被清空 do /如果继续接收数据帧则实施下面循环 printf( 请输入收到的数据帧号：); scanf(%ld,&a); if(a=swpstate1.nfe&anext=null; swpstate1.head=recvp; else if(swpstate1.head!=null) recvp=(struct recvq_slot*)malloc(sizeof(struct recvq_slot); rec

24、vp-next=null; recvq_rear-next=recvp; recvq_rear=recvp; else printf( 所输数据不在接收窗口内！); break; /跳出该循环 若输入数据帧在接收范围内则继续判断并进行以下循环。recvp-msg=a; if(recvp-msg=swpstate1.nfe) /是否放入缓存判断recvp-received=1; else recvp-received=0; -swpstate1.rws; if(recvp-received=1) /数据帧被接收，则进行下面语句 a=a-1; do a=a+1; if(swpstate1.head

25、=null) break; p1=swpstate1.head; flag=0; while(a!=p1-msg)&(p1-next!=null) p2=p1;p1=p1-next; if(a=p1-msg) flag=1; if(p1=swpstate1.head) swpstate1.head=swpstate1.head-next; else p2-next=p1-next; swpstate1.nfe=a+1; swpstate1.hdr.acknum=a+1; swpstate1.hdr.flags=1; while(flag=1); printf( ack 号（期待的下一帧

26、的序号） ：%ldn,swpstate1.nfe); printf( 没按序接受的序号 :n); p1=swpstate1.head; while(p1!=null) printf(%ldt,p1-msg); p1=p1-next; 当接收完一个数据帧时，我们可以选择终止下面的继续接收，也可以选择继续接收。如果继续接收，那么程序跳到判断循环，继续判断是否接收下一个数据帧，原理与上面相当。while(swpstate1.rws0)&(b=1); if(swpstate1.hdr.flags=1) p3=swpstate1.sendq-next; flag=0; while(swpstat

27、e1.hdr.acknum)!=p3-msg&p3-next!=null) p4=p3;p3=p3-next; if(swpstate1.hdr.acknum=p3-msg) flag=1; if(p3-msg=swpstate1.sendq-next-msg) swpstate1.sendq-next=p3; else swpstate1.sendq-next=p3; swpstate1.sws=swpstate1.sws+(swpstate1.sendq-next-msg-swpstate1.lar); swpstate1.lar=swpstate1.sendq-next-msg;

28、 swpstate1.hdr.seqnum=swpstate1.hdr.acknum; printf( 最近收到的 ack的帧序号（收到 ack 后） ：%ldn,swpstate1.lar); printf( 最近发送的帧序号（此时还未发送新的数据） ： %ldn,swpstate1.lfs); 4程序测试下面我以窗口大小为11，第一帧序列号为3，做程序的测试。图 4-1 程序测试整体图（1）整体窗口展示，命令行界面图 4-2 整体窗口展示（2） 输入窗口大小及第一帧序列号图 4-3 信息设置输入（3）当输入的接收帧并不是ack期待的帧，那么根据滑动窗口协议该帧不被接收，且把该帧存放在缓冲区

29、。图 4-4 帧不被接收的情况（4）当前面输入的都不是系统所期待的帧，那么这些帧会一直被存放在缓冲区。直到输入下一个输入的帧的序号比前面输入的帧的序号大，且是系统所期待的帧时，之前和当前输入的帧会一并被接收，缓冲区清空。继续接收命令，进行新的帧的检测及接收。图 4-5 帧被接收的情况（5）若输入的帧超过了窗口大小，那么系统会显示该帧不在接收范围内，并拒绝接收。图 4-6 帧超出窗口大小范围5总结5.1程序改进与完善该滑动窗口协议模拟程序还有进一步完善的余地，例如可以对以下一些地方进行改进：（1）改模拟程序通过命令行来实行，缺少形象直观的界面，希望日后可以设计比较简单明了的界面来展示程序的主要模

30、拟功能。（2）现在我们模拟的只是一些用序号代名的简单的帧，建议可以改善程序，使该系统可以模拟更接近真实的数据帧。这样可以联系实际更直观地去验证滑动窗口协议。（3）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。但建议可以在日后改进使其变成动态的。5.2设计总结以上为我所设计的滑动窗口模拟程序，它经过多次修改和整理， 已是一个比较不错的设计， 可以基本实现所需功能， 但因为水平有限， 此程序中也存在一定的问题，这需要以后更进一步的改进。参考文献1 谢希仁 . 计算机网络 m. 4版. 北京: 电子工业出版社 , 2003. 2 李仁发 , 何彦. 基于虚拟实验方法的

31、滑动窗口协议分析j. 系统仿真学报 , 2002, 8 (14) : 1026 - 1063. 3 李建中 , 张冬冬 . 滑动窗口规模的动态调整算法j. 软件学报 , 2004, 12 (15) : 1800 - 1814. 4 王栩 , 李建中 , 王伟平 . 基于滑动窗口的数据流压缩技术及连续查询处理方法 j . 计算机研究与发展 , 2004, 10 (41) : 1639- 1644. 5 特南鲍姆 . 计算机网络（第四版） . 清华出版社附录#include #include #include main() struct swphdr unsigned long seqnum; u

32、nsigned long acknum; unsigned short flags; /*flag=0表示这是一个数据帧，flag=1表示这是一个ack帧*/ ; struct sendq_slot unsigned short timeout;/*1 时表示计时启动，0时表示已收到确认*/ unsigned long msg; struct sendq_slot *next; ; struct recvq_slot unsigned short received;/*1 表示顺序接收，0 表示错序接受*/ unsigned long msg; struct recvq_slot *next;

33、 ; struct swpstate unsigned long lar; unsigned long lfs; unsigned long sws; struct swphdr hdr; unsigned long rws; struct sendq_slot *sendq; unsigned long nfe; struct recvq_slot *head; swpstate1; unsigned long a; int flag,b; /* 发送 */ struct sendq_slot *sendq_rear,*sendp,*p3,*p4; struct recvq_slot *re

34、cvp,*recvq_rear,*p1,*p2; swpstate1.head=null; swpstate1.sendq=sendq_rear=(structsendq_slot*)malloc(sizeof(structsendq_slot); if(!swpstate1.sendq) exit(1); sendq_rear-next=null; printf( 请输入窗口大小：); scanf(%ld,&swpstate1.sws); swpstate1.rws=swpstate1.sws; if (swpstate1.sws0) printf( 请输入第一帧的序列号：); sc

35、anf(%ld,&swpstate1.hdr.seqnum); swpstate1.nfe=swpstate1.hdr.seqnum; sendp=(struct sendq_slot*)malloc(sizeof(struct sendq_slot); if(!sendp) exit(1); sendp-msg=swpstate1.hdr.seqnum; sendp-timeout=1; sendp-next=null; sendq_rear-next=sendp; sendq_rear=sendp; -swpstate1.sws; swpstate1.lfs=swpstate1.h

36、dr.seqnum; swpstate1.lar=swpstate1.hdr.seqnum; do while(swpstate1.sws0) sendp=(struct sendq_slot*)malloc(sizeof(struct sendq_slot); if(!sendp) exit(1); sendp-msg=swpstate1.lfs+1; sendp-timeout=1; sendp-next=null; sendq_rear-next=sendp; sendq_rear=sendp; -swpstate1.sws; +swpstate1.lfs; swpstate1.hdr.

37、acknum=0; swpstate1.hdr.flags=0; printf( 最近收到的ack的帧序号 ：%ldn,swpstate1.lar); printf( 最近发送的帧序号（发送新帧后） ：%ldn,swpstate1.lfs); /* 接收 */ if(swpstate1.hdr.flags=0) do printf( 请输入收到的数据帧号：); scanf(%ld,&a); if(a=swpstate1.nfe&anext=null; swpstate1.head=recvp; else if(swpstate1.head!=null) recvp=(struct recvq_slot*)malloc(sizeof(struct recvq_slot); recvp-next=null; recvq_rear-next=recvp; recvq_rear=recvp; else printf( 所输数据不在接收窗口内！); break; rec