基于C语言的可靠数据传输协议的设计与实现

灰太狼 2024-04-07 13:40 57阅读 0赞

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## 可靠数据传输协议的设计与实现 ##

### 实验目的： ###

理解可靠数据传输的基本原理；掌握停等协议的工作原理；掌握基于 UDP 设计并实现一个停等协议的过程与技术。

理解滑动窗口协议的基本原理；掌握 GBN 的工作原理；掌握基于 UDP 设计并实现一个 GBN 协议的过程与技术。

### 实验内容： ###

可靠数据传输协议-停等协议的设计与实现

基于 UDP 设计一个简单的停等协议，实现单向可靠数据传输（服务器到客户的数据传输）。

模拟引入数据包的丢失，验证所设计协议的有效性。

改进所设计的停等协议，支持双向数据传输；（选作内容，加分项目，可以当堂完成或课下完成）

基于所设计的停等协议，实现一个 C/S 结构的文件传输应用。（选作内容，加分项目，可以当堂完成或课下完成）

可靠数据传输协议-GBN 协议的设计与实现

基于 UDP 设计一个简单的 GBN 协议，实现单向可靠数据传输（服务器到客户的数据传输）。

模拟引入数据包的丢失，验证所设计协议的有效性。

改进所设计的 GBN 协议，支持双向数据传输；（选作内容，加分项目，可以当堂完成或课下完成）

将所设计的 GBN 协议改进为 SR 协议。（选作内容，加分项目，可以当堂完成或课下完成）

### 实验过程： ###

停等协议：

*  基于 UDP 实现的停等协议，可以不进行差错检测，可以利用 UDP 协议差错检测；
 *  为了验证所设计协议是否可以处理数据丢失，可以考虑在数据接收端或发送端引入数据丢失。
 *  在开发停等协议之前，需要先设计协议数据分组格式以及确认分组格式。

计时器实现方法：对于阻塞的 socket 可用 int setsockopt(int socket,int level, int option\_name, const void\* option\_value, size\_t option\_len)函数设置套接字发送与接收超时时间；对于非阻塞 socket 可以使用累加 sleep 时间的方法判断 socket 接受数据是否超时(当时间累加量超过一定数值时则认为套接字接受数据超时)。

#### GBN 协议： ####

*  基于 UDP 实现的 GBN 协议，可以不进行差错检测，可以利用 UDP 协议差错检测；
 *  自行设计数据帧的格式，应至少包含序列号 Seq 和数据两部分；
 *  自行定义发送端序列号 Seq 比特数 L 以及发送窗口大小 W，应满足条件 W+1<=2L。

种简单的服务器端计时器的实现办法：设置套接字为非阻塞方式，则服务器端在 recvfrom 方法上不会阻塞，若正确接收到 ACK 消息，则计时器清零，若从客户端接收数据长度为-1（表示没有接收到任何数据），则计时器 +1，对计时器进行判断，若其超过阈值，则判断为超时，进行超时重传。（当然，如果服务器选择阻塞模式，可以用到 select 或 epoll 的阻塞选择函数，详情见 MSDN）

为了模拟 ACK 丢失，一种简单的实现办法：客户端对接收的数据帧进行计数，然后对总数进行模 N 运算，若规定求模运算结果为零则返回 ACK，则每接收 N 个数据帧才返回 1 个 ACK。当 N 取值大于服务器端的超时阀值时，则会出现服务器端超时现象。

当设置服务器端发送窗口的大小为 1 时，GBN 协议就是停-等协议。

首先，实现 GBN 的单向传输，创建一个套接字，并绑定在指定的端口上。客户端请求数据，读取控制台的请求信息，并解析该命令。根据不同的命令，请求不同的数据。

当执行单向传输的命令时，客户端首先发送请求信息，然后服务器端解析请求，进行一个握手阶段，首先服务器向客户端发送一个 205 大小的状态码（我自己定义的） 表示服务器准备好了，可以发送数据；客户端收到 205 之后回复一个 200 大小的状态码，表示客户端准备好了，可以接收数据了；服务器收到 200 状态码之后，就开始使用 GBN 发送数据了，服务器端读取本地文件，放到缓存中，发送给客户端。

在发送端设置分组丢失率和 ACK 丢失率，ACK 采用累积确认，当收到一个字段的序列号时，在其之前的所有分组全都确认被收到。当发生超时情况时，发送端重新发送整个窗户中的所有数据分组。

GBN 双向传输也是相同的原理。只不过发送端变成了客户端。

### 实验结果： ###

#### 数据分组格式： ####

![在这里插入图片描述][11b726241dea489d980759fe639d5b76.png]

*  Seq 为 1 个字节，取值为 0~255，（故序列号最多为 256 个）；
 *  Data≤1024 个字节，为传输的数据；
 *  最后一个字节放入 EOF0，表示结尾。

确认分组格式：

![在这里插入图片描述][02258e27d5b349e09071067e9372f236.png]

ACK 字段为一个字节，表示序列号数值；

末尾放入 0，表示数据结束。

服务器端：

![在这里插入图片描述][e0fe45f5cb4546aaae5c5a5c7503a1ac.png]

客户端：

![在这里插入图片描述][96352c811c7049fe98518904a2acfd00.png]

数据分组丢失：

设置一个分组丢失率，将丢失率乘上 100，随机生成一个 0 到 100 的数，检查该数是否在 0 到丢失率的范围内。如果在，则分组丢失；否则，没有丢失。

主要函数及其作用：

*  void getCurTime(char \*ptime)：获取当前时间
 *  BOOL lossInLossRatio(float lossRatio)：根据丢失率随机生成一个数字，判断是否丢失,丢失则返回 TRUE，否则返回 FALSE
 *  void printTips()：打印提示信息
 *  bool seqIsAvailable()：当前序列号 curSeq 是否可用
 *  void timeoutHandler()：超时重传处理函数
 *  void ackHandler(char c)：收到 ack，累积确认，取数据帧的第一个字节

运行结果：

![在这里插入图片描述][7a863fdc9e474e1e9c0f66c2808f4ac8.png_pic_center]

单向传输：

客户端：

![在这里插入图片描述][c3b83d88d9a54beebc07223532a280ec.png]

服务器端：

![在这里插入图片描述][e4657d31154d421ab5df10ffc814d8f8.png]

双向传输：

客户端：

![在这里插入图片描述][4e711ea69c3e4a96bc6a6ec4971fb544.png]

服务器端：

![在这里插入图片描述][c368b436a9c149588e76311b5693bc06.png]

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