《计算机网络课程设计（第2版）》——3.4节课程设计分析

3.4 课程设计分析

1. 填充帧头部字段
   要完成一次帧封装的过程，首先要完成的就是帧头部的装入，这一过程非常简单，只要将前导码、定界符、目的地址、源地址、长度字段的相应数值按顺序写入就可以了。其中，长度字段的值即为要发送的数据的实际长度。我们可以通过以下两种方式来获得长度字段的值。

• 方法一

while(!in.eof())                       //读数据至缓冲区buf
{
    in.get(a);
    buf[j]=a;                          //通过j来记录输入数据的长度
    j++;
}

• 方法二

infile.open(argv[1],ios::binary);      //打开指定输入文件
infile.seekg(0,ios::end);              //将文件读指针移到末尾
short length=(short)infile.tellg();    //获得位置偏移量，即为输入文件长度
file.put(char(length/256));            //将该长度写入数据长度字段(2 B)
file.put(char(length%256));

注意，上面程序的最后两行是把读到的数据长度值按逆序填入长度字段。这就涉及网络字节序的问题。
计算机数据存储有两种字节优先顺序，即高位字节优先和低位字节优先。

• 低位字节优先：低序字节存储在起始地址。
• 高位字节优先：高序字节存储在起始地址。
  Internet上的数据以高位字节优先顺序在网络上传输，所以对于在机器内部以低位字节优先方式存储的数据来说，在Internet上传输数据时就需要进行转换，否则就会出现数据不一致。

下面是几个字节顺序转换函数：

• htonl()：把32位值从主机字节序转换成网络字节序。
• htons()：把16位值从主机字节序转换成网络字节序。
• ntohl()：把32位值从网络字节序转换成主机字节序。
• ntohs()：把16位值从网络字节序转换成主机字节序。

1. 填充数据字段
   在填充数据字段的过程中要注意的主要问题是数据字段的长度。802.3标准中规定了帧数据字段的最小长度为46 B，最大长度为1500 B。如果数据不足46 B，则需要通过填充0来补足；若数据长度超过1500 B，则将超过部分封装入下一个帧进行发送。

由于帧头部分应该包括6 B目的地址、6 B源地址字段、2 B长度字段以及4 B帧校验字段，因此帧头部分长度为18 B。前导码与帧前定界符不计入帧头长度中。那么，Ethernet帧的最小长度为64 B，最大长度为1518 B。
填充数据字段的代码如下：

if( len == 1500 )              //读满1500 B 后, 封装成一个帧并输出
{
    ...                        //封装成一个帧并输出
    len = 0;                   //长度计数重置0
}
//如果数据的长度小于46则补0
if( len < 46 ) 
{
    for(  i = len; i < 46; i ++ )
    
        fr.data[i] = 0x00;     //在数据字段中填充0
    
}
data_len=len;                  //获得数据的实际长度放入data_len

1. CRC校验
   帧封装的最后一步就是对数据进行校验，并将校验结果记入帧校验字段。下面举例说明在本程序中是如何实现CRC-8校验算法的。设数据为10010010，CRC-8的生成多项式为X 8 + X 2 + X 1 + 1，即10000111。先看一下在代数学中计算CRC校验的一般算法。如果用竖式除法，计算过程如下：

10010001
100000111     （后面补8个0）
                    100000111
                          100011000
                          100000111
                                  111110000
                                  100000111
                                    11110111

从上式可以看出，CRC编码实际上是一个循环移位的模2运算。对于CRC-8，假设有一个9位的寄存器，通过反复移位和进行CRC除法，最终该寄存器中的值去掉最高一位就应该是我们所需要的余数。
上述步骤可以用下面的流程描述：

//crc是一个9位的寄存器
把crc中的值置为0
在原始数据input后添加8个0
while(数据未处理完)
begin
      if(crc首位是1)
          crc=crc X0R 100000111
      把crc中的值左移一位, 从input中读一位新的数据并置于crc的0位
end

crc中后8位就是经过CRC-8校验的余数。这样，我们只需要看后8位即可，因此上面流程可以简化。构造一个8位的寄存器crc，初始值为0，数据依次移入crc的0位，同时crc的7位移出。当移出的数据为1时，crc才和00000111进行XOR运算；移出的数据为0时，不做运算。每次crc中数据左移后就需要从输入数据中读入一位新的数据。由于左移时crc 0位补0，因此当读入的数据最高位为1时还需要对crc 0位进行处理（将crc与00000001异或使0位置1）。
下面给出伪代码：

//crc是一个8位的寄存器
把crc中的值置为0
在原始数据input后添加8个0
while(数据未处理完)
begin
    if(crc首位是1)
       crc左移1位
       crc=crc X0R 00000111
    else
       crc左移1位
    if(从input中读入的新的数据为1)
       将crc 0位置1
end