gobackn协议实验报告

gobackn协议实验报告一、引言（一）实验背景在计算机网络中，可靠的数据传输是至关重要的。GoBackN协议作为一种经典的滑动窗口协议，用于实现可靠的数据传输。它通过发送方维护一个窗口，在窗口内可以连续发送多个数据帧，并通过接收方的确认机制来确保数据的正确接收。本次实验旨在深入理解GoBackN协议的工作原理、性能特点以及实现过程。（二）实验目的1.掌握GoBackN协议的基本原理和工作流程。2.理解滑动窗口机制在协议中的作用。3.熟悉通过编程实现GoBackN协议，并分析其性能。4.研究不同参数设置对协议性能的影响。二、GoBackN协议原理（一）基本概念1.滑动窗口：发送方维护一个发送窗口，窗口大小为N。在窗口内的数据帧可以连续发送，而不需要等待前一个数据帧的确认。2.确认机制：接收方对正确接收的数据帧发送确认（ACK），发送方在收到ACK后才移动窗口。3.超时重传：如果发送方在规定时间内没有收到某个数据帧的确认，则认为该数据帧丢失，需要重传该数据帧及其后续窗口内的数据帧。（二）工作流程1.发送方初始化发送窗口，将窗口内的数据帧依次发送出去。2.接收方每正确接收一个数据帧，就发送一个ACK给发送方。3.发送方收到ACK后，移动发送窗口，继续发送后续的数据帧。4.如果发送方在超时时间内没有收到某个数据帧的ACK，则重传该数据帧及其后续窗口内的数据帧。三、实验环境与工具（一）实验环境1.操作系统：Windows102.编程语言：Python（二）实验工具1.网络模拟库：scapy2.绘图工具：matplotlib四、实验设计与实现（一）实验设计1.发送方：实现GoBackN协议的发送方功能，包括数据帧的生成、发送、窗口管理和重传机制。2.接收方：实现GoBackN协议的接收方功能，包括数据帧的接收、确认发送和窗口更新。3.模拟网络环境：使用scapy模拟网络环境，包括数据帧的传输、丢失和延迟。（二）实现步骤1.定义数据帧结构：使用scapy定义数据帧的结构，包括帧头、数据和校验和等字段。2.发送方实现：初始化发送窗口，设置窗口大小N。生成数据帧并依次发送，记录发送时间。等待接收方的ACK，根据ACK移动发送窗口。如果超时未收到ACK，则重传超时的数据帧及其后续窗口内的数据帧。3.接收方实现：接收数据帧，检查校验和和帧序号。如果数据帧正确接收，则发送ACK给发送方，并更新接收窗口。如果数据帧错误或帧序号不连续，则丢弃该数据帧。4.模拟网络环境：使用scapy的sendp和recv等函数模拟数据帧的传输和接收。通过设置丢包率和延迟等参数模拟网络的不可靠性。五、实验结果与分析（一）实验结果1.不同窗口大小下的传输性能：绘制窗口大小与传输效率（吞吐量）的关系图。分析窗口大小对传输延迟和丢包率的影响。2.不同丢包率下的传输性能：绘制丢包率与传输效率的关系图。观察丢包率变化时发送方的重传次数和接收方的接收情况。3.不同延迟下的传输性能：绘制延迟与传输效率的关系图。分析延迟对协议性能的影响以及发送方如何应对延迟。（二）结果分析1.窗口大小的影响：窗口大小较小时，传输效率较低，因为发送方发送的数据量有限。窗口大小增大时，传输效率提高，但可能会增加重传次数，因为窗口内的数据帧更容易丢失。2.丢包率的影响：丢包率增加时，传输效率显著下降，因为发送方需要重传大量的数据帧。重传次数随着丢包率的增加而增加，导致传输延迟增大。3.延迟的影响：延迟增加时，传输效率降低，因为发送方需要等待更长时间才能收到ACK。发送方可以通过适当调整超时时间来应对延迟，但超时时间设置不当可能会导致不必要的重传。六、结论与总结（一）实验结论1.GoBackN协议能够有效地实现可靠的数据传输，但性能受到窗口大小、丢包率和延迟等因素的影响。2.窗口大小的选择需要综合考虑传输效率和重传次数，过大的窗口可能会增加丢包后的重传开销。3.丢包率对协议性能影响较大，高丢包率会导致传输效率大幅下降和传输延迟增加。4.延迟会降低协议的传输效率，发送方需要根据网络延迟情况合理设置超时时间。（二）总结通过本次实验，深入理解了GoBackN协议的原理和工作流程，并通过编程实现和模拟实验分析了其性能。实验结果为优化网络数据传输提供了参考，有助于在实际网络应用中更好地选择和配置协议参数，以提高数据传输的可靠性和效率。同时，本次实验也为进一步研究其他可靠传输协议奠定了基础。七、参考文献[1]《计算机网络》（第5版），谢希仁编著，电子工业出版社[2]《TCP/IP协议族》（第4版），RichardA.Deal著，人民邮电出版社[3]scapy官方文档：scapy.readthedocs.io/en/latest/[4]matplotlib官方文档：/八、附录（一）Python代码清单```python发送方代码importtimefromscapy.allimport*classGoBackNSender:def__init__(self,window_size,timeout):self.window_size=window_sizeself.timeout=timeoutself.send_base=0self.next_seq_num=0self.window=[]self.timer={}defsend_data(self,data):whileself.next_seq_num<self.send_base+self.window_size:frame=Ether()/IP()/TCP(sport=10000,dport=20000,seq=self.next_seq_num)/dataself.window.append(frame)sendp(frame,verbose=0)self.timer[self.next_seq_num]=time.time()self.next_seq_num+=1defreceive_ack(self,ack):ack_seq=ack[TCP].ackifack_seq==self.send_base:whileself.windowandself.window[0][TCP].seq==self.send_base:self.window.pop(0)self.send_base+=1ifself.window:self.timer[self.window[0][TCP].seq]=time.time()elifack_seq>self.send_base:forframeinself.window:ifframe[TCP].seq==ack_seq:self.window.remove(frame)breakself.timer[ack_seq]=time.time()defcheck_timeouts(self):current_time=time.time()forseq_num,send_timeinself.timer.items():ifcurrent_timesend_time>self.timeout:self.resend_packets(seq_num)defresend_packets(self,start_seq):forframeinself.window:ifframe[TCP].seq>=start_seq:sendp(frame,verbose=0)self.timer[frame[TCP].seq]=time.time()接收方代码classGoBackNReceiver:def__init__(self):self.expected_seq_num=0self.received_data={}defreceive_frame(self,frame):seq_num=frame[TCP].seqifseq_num==self.expected_seq_num:data=frame[TCP].payloadself.received_data[seq_num]=dataack=Ether()/IP()/TCP(sport=20000,dport=10000,seq=self.expected_seq_num+len(data),ack=self.expected_seq_num+len(data))sendp(ack,verbose=0)self.expected_seq_num+=len(data)elifseq_num>self.expected_seq_num:ack=Ether()/IP()/TCP(sport=20000,dport=10000,seq=self.expected_seq_num,ack=self.expected_seq_num)sendp(ack,verbose=0)模拟网络环境代码defsimulate_network(sender,receiver,data,loss_rate,delay):foriinrange(len(data)):frame=Ether()/IP()/TCP(sport=10000,dport=20000,seq=i)/data[i]ifrandom.random()>loss_rate:sendp(frame,verbose=0,inter=delay)time.sleep(delay)receiver.receive_frame(frame)ack=Ether()/IP()/TCP(sport=20000,dport=10000,seq=i+len(data[i]),ack=i+len(data[i]))sendp(ack,verbose=0)sender.receive_ack(ack)else:print(f"Packetwithseq{i}lost")sender.check_timeouts()测试代码data=[b'test1',b'test2',b'test3',b'test4',b'test5']sender=GoBackNSender(window_size=3,timeout=1)receiver=GoBackNReceiver()simulate_network(sender,receiver,data,loss_rate=0.2,delay=0.1)```（二）实验数据记录表格|实验参数|实验结果|||||窗口大小|1、3、5、7、9||丢包率|0.1、0.2、0.3、0.4、0.5||延迟|0.05、0.1、0.15、0.2、0.25||传输效率（吞吐量）|[具体数值]||重传次数|[具体数值]||接收方接收情况|[详细描述]|（三）实验结果图表1.窗口大小与传输效率关系图横坐标：窗口大小纵坐标：传输效率（Mbps）曲线：不同窗口大小下的传输效率变化曲线2.丢包率与传输效率关系图横坐标：丢包率纵坐标：传输效率（Mbps）曲线：不同丢包率下的传输效率变化曲线3.延迟与传输效率关系图横坐标：延迟（秒）纵坐标：传输效率（Mbps）曲线：不同延迟下的传输效率变化曲线以上图表可使用matplotlib库绘制，示例代码如下：```pythonimportmatplotlib.pyplotasplt窗口大小与传输效率关系图window_sizes=[1,3,5,7,9]throughputs=[0.5,1.2,1.8,2.0,2.2]plt.plot(window_sizes,throughputs,marker='o')plt.xlabel('WindowSize')plt.ylabel('Throughput(Mbps)')plt.title('WindowSizevsThroughput')plt.show()丢包率与传输效率关系图loss_rates=[0.1,0.2,0.3,0.4,0.5]throughputs=[1.5,1.0,0.6,0.3,0.1]plt.plot(loss_rates,throughputs,marker='s')plt.xlabel('LossRate')plt.ylabel('Throughput(Mbps)')plt.title('LossRatevsThrou