计算机网络编程

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茜柿汤
5 years ago
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1 计算机网络编程第 3 章 Ethernet 帧的封装与解析信息工程学院方徽星 fanghuixing@hotmail.com

2 大纲设计目的相关知识例题分析

3 1. 设计目的帧是在数据链路层进行数据传输的基本单元目的 : 根据数据链路层的基本原理, 通过封装标准格式的 Ethernet 帧, 了解 Ethernet 帧结构中各字段的含义与用途, 从而深入理解网络协议的工作原理

4 2. 相关知识数据链路层的概念 OSI 参考模型应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层分组 (packet) 帧 (frame) 比特 (bit) 数据链路层 (Data Link Layer) 的主要功能 : 在物理层提供的服务基础上在主机之间建立数据链路, 传输以帧为单位的数据包, 采取差错控制与流量控制的方法, 将有差错的物理连接变成无差错的数据链路为上层提供服务, 屏蔽各种物理网络以及传输介质的差异性

5 2. 相关知识数据链路层的概念 OSI 参考模型应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层分组 (packet) 帧 (frame) 比特 (bit) 1980 年,IEEE 802 委员会成立, 制定了针对不同类型局域网的 IEEE 802 标准 IEEE 标准是以太网 (Ethernet) 的协议标准, 覆盖数据链路层和物理层两部分数据链路层标准主要描述介质访问控制问题物理层标准主要描述使用的传输介质, 如 : 双绞线光纤同轴电缆等

6 2. 相关知识数据链路层的概念 OSI 参考模型应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层分组 (packet) 帧 (frame) 比特 (bit) ards/get-program/page/series?id=68

7 2. 相关知识 Ethernet 帧的结构 8bit: 进制 :1 个 0xab 前导码和帧前定界符接收后不需要保留前导码 (7B) 帧前定界符 (1B) 目的地址 (6B) 源地址 (6B) 帧长度 (2B) 数据 (46B~1500B) 帧校验和 (4B) 56bit: 十六进制 :7 个连续的 0xaa 发送节点在发送数据的前后各添加特殊的字符构成帧, 这些特殊的字符是帧头与帧尾

8 2. 相关知识 Ethernet 帧的结构 8bit: 进制 :1 个 0xab 组织唯一标识符 (OUI) 24bit 帧发送节点 MAC 地址 MAC 地址 (48bit) 扩展唯一标识 (EUI) 24bit 前导码 (7B) 帧前定界符 (1B) 目的地址 (6B) 源地址 (6B) 帧长度 (2B) 数据 (46B~1500B) 帧校验和 (4B) 56bit: 十六进制 :7 个连续的 0xaa 帧接收节点 MAC 地址目的地址单播 : 第一位是 0 多播 : 第一位是 1 广播 : 全为 1

9 2. 相关知识 Ethernet 帧的结构 8bit: 进制 :1 个 0xab 帧发送节点 MAC 地址前导码 (7B) 帧前定界符 (1B) 目的地址 (6B) 源地址 (6B) 帧长度 (2B) 数据 (46B~1500B) 帧校验和 (4B) 56bit: 十六进制 :7 个连续的 0xaa 帧接收节点 MAC 地址表示数据字段包含的字节数

10 2. 相关知识 Ethernet 帧的结构 8bit: 进制 :1 个 0xab 帧发送节点 MAC 地址如果帧数据部分少于 46B, 则应将数据字段填充 ( 常用 0) 至 46B 填充部分不计入长度字段值实际数据前导码 (7B) 帧前定界符 (1B) 目的地址 (6B) 源地址 (6B) 帧长度 (2B) 数据 (46B~1500B) 帧校验和 (4B) 56bit: 十六进制 :7 个连续的 0xaa 帧接收节点 MAC 地址表示数据字段包含的字节数

11 2. 相关知识 Ethernet 帧的结构 8bit: 进制 :1 个 0xab 帧发送节点 MAC 地址实际数据校验范围目的地址源地址长度数据前导码 (7B) 帧前定界符 (1B) 目的地址 (6B) 源地址 (6B) 帧长度 (2B) 数据 (46B~1500B) 帧校验和 (4B) 56bit: 十六进制 :7 个连续的 0xaa 帧接收节点 MAC 地址表示数据字段包含的字节数用于判断帧在传输过程中是否出错采用 32 位 CRC 校验

12 例题根据给出的 IEEE 格式的 Ethernet 帧结构, 编写程序解析并显示帧的各个字段, 将数据字段组合写入输出文件 Ethernet 帧数据从输入文件中获得, 默认的输入文件为二进制数据文件只读取帧校验字段, 不进行 CRC 校验数据字段最大长度 100B

13 具体要求 1. 程序为命令行程序, 可执行文件名 FrameParse.exe 命令行格式 FrameParse input_file output_file 输入文件输出文件 2. 将全部字段内容显示在控制台上, 具体格式为 : 帧 1 开始解析前导码 :xx xx xx xx xx xx xx 帧前定界符 :xx 目的地址 :xx-xx-xx-xx-xx-xx 源地址 :xx-xx-xx-xx-xx-xx 长度字段 :xx xx 数据字段 : 帧校验字段 :xx xx xx xx 帧 2 开始解析数据字段按字符串格式输出其他字段按 16 进制格式输出

14 具体要求 3. 良好的编程规范与注释 4. 撰写说明文档, 包括程序的开发思路工作流程关键问题解决思路进一步改进

15 关键问题 : 文件的读写操作 C++ 标准库 fstream 定义了三个数据类型数据类型 ofstream ifstream fstream 描述表示输出文件流, 用于创建文件并向文件写入信息表示输入文件流, 用于从文件读取信息通常表示文件流, 且同时具有 ofstream 和 ifstream 两种功能, 它可以创建文件, 向文件写入信息, 从文件读取信息

16 关键问题 : 文件的读写操作打开文件在从文件读取信息或者向文件写入信息之前, 必须先打开文件 ofstream 和 fstream 对象都可以用来打开文件进行写操作, 如果只需要打开文件进行读操作, 则使用 ifstream 对象 open() 函数是 fstream ifstream 和 ofstream 对象的一个成员 : void open(const char *filename, ios::openmode mode); 要打开的文件的名称和位置文件被打开的模式

17 关键问题 : 文件的读写操作模式标志 ios::app ios::ate ios::binary ios::in ios::out ios::trunc 描述追加模式所有写入都追加到文件末尾文件打开后定位到文件末尾以二进制的方式对打开的文件进行读写打开文件用于读取打开文件用于写入如果该文件已经存在, 其内容将在打开文件之前被截断, 即把文件长度设为 0 打开文件的方式在类 ios( 是所有流式 I/O 类的基类 ) 中定义可以把两种或两种以上的模式结合使用 : ofstream outfile; outfile.open("file.dat", ios::out ios::trunc );

18 关键问题 : 文件的读写操作文件位置指针 : 一个整数值, 指定了从文件的起始位置到指针所在位置的字节数 istream 和 ostream 都提供了用于重新定位文件位置指针的成员函数 : 关于 istream 的 seekg("seek get") 关于 ostream 的 seekp("seek put") seekg 和 seekp 的参数通常是一个长整型第二个参数可以用于指定查找方向 : ios::beg( 默认的, 从流的开头开始定位 ) ios::cur( 从流的当前位置开始定位 ) ios::end( 从流的末尾开始定位 )

19 关键问题 : 文件的读写操作文件位置指针 : 一个整数值, 指定了从文件的起始位置到指针所在位置的字节数 // 定位到 fileobject 的第 n 个字节 ( 假设是 ios::beg) fileobject.seekg( n ); // 把文件的读指针从 fileobject 当前位置向后移 n 个字节 fileobject.seekg( n, ios::cur ); // 把文件的读指针从 fileobject 末尾往回移 n 个字节 fileobject.seekg( n, ios::end ); // 定位到 fileobject 的末尾 fileobject.seekg( 0, ios::end );

20 关键问题 : 文件的读写操作文件操作函数 file.read() file.write() file.get() file.put() file.tellg() 描述从指针位置读取指定字节的数据向指针位置写入指定字节的数据从指针位置读取 1B 的数据向指针位置写入 1B 的数据获得指针位置的偏移量

21 关键问题 : 文件的读写操作 // read a file into memory #include <iostream> // std::cout #include <fstream> // std::ifstream using std::ios; using std::ifstream; using std::cout; int main() { ifstream is("test.txt", ios::binary); if (is) { printf("file opened!\n"); // get length of file: is.seekg(0, is.end); int length = is.tellg(); is.seekg(0, is.beg); } // allocate memory: char * buffer = new char[length]; // read data as a block: is.read(buffer, length); is.close(); // print content: cout.write(buffer, length); delete[] buffer; } return 0;

22 关键问题 : 解析帧头部各个字段 // 将指针移到文件开始 file.seekg(0, ios::beg); while( 文件未结束 ) { // 查找前导码位置 for(i=0; i<7; i++) if(file.get()!= 0xaa) } 确定帧开始位置的伪代码 // 查找帧前定界符位置 if(file.get()!= 0xab) 前导码 (7B) 帧前定界符 (1B) 目的地址 (6B) 源地址 (6B) 长度字段 (2B) 依次读取

23 关键问题 : 解析数据字段 IEEE 标准规定数据字段最小长度为 46B, 最大长度为 1500B 如果数据小于 46B, 通过填充 0 来补足 46B, 这些 0 的个数不计入长度字段处理数据字段时, 需要将额外填充的 0 从数据字段中去掉如果得到长度值等于 1500, 则需要判断其后是否仍有一个帧输出数据字段的伪代码 // 数据从缓冲区写入文件 char * data = new char[length]; file.read(data, length); outfile.write(data, length); // 数据字段长度小于 46B, 去掉填充数据 if(length<46) for (i=0; i<46-length;i++) file.get();

24 1 2 关键问题 : 程序流程图开始 N 帧同步信息是否存在 Y 读取帧头字段 Y 数据字段值写入输出文件是否还有帧需要解析命令行参数是否正确 Y N 3 长度字段值是否小于 46 N N 关闭输出文件输入文件能否打开 Y N Y 去掉数据字段的填充字符 2 关闭输入文件打开输出文件 1 3 输出错误信息结束

26 练习题 ( 实验 ) 课本 - 第 34 页

27 本章小结熟悉数据链路层帧结构帧的解析过程

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Microsoft PowerPoint - CPP-Ch Print.ppt [兼容模式] Chapter 17 File Processing http://jssec.seu.edu.cn 杨明 yangming2002@seu.edu.cn OBJECTIVES To create, read, write and update files. Sequential file processing. Random-access file processing. To use high-performance