课程设计5---滑动窗口协议模拟程序的设计与实现 姓名： 学号： 一、 目标任务 （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。 二、 编程语言 C语言 三、 滑动窗口协议介绍 3.1 滑动窗口协议工作原理 TCP协议在工作时，如果发送端的TCP协议软件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，由于网络传输的时延，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滑动窗口机制。
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缓冲区排队等待送出。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流量控制问题。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，达到在提高数据传输效率的同时，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。 3.2 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：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3-1 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3-2 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LFR＜SeqNum≤LAF，那么帧在接收窗口内，于是被接收。现在接收方需要决定是否发送一个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3-3 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 四、 设计方案及分析 4.1 窗口机制总体设计及分析
图4-1 发送方和接收方状态示意图
LFR 设计分析： （1） 初始态，发送方没有帧发出，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；
（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。
4.2 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4-2 选择重传协议原理图 4.3 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4-3 发送方与接收方设计流程 五、 关键代码 （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.sendq) 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.sws>0) { 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*) 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.sws>0) //当窗口大小大于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1 sendp->next=NULL; sendq_rear->next=sendp; sendq_rear=sendp; --swpstate1.sws; ++swpstate1.lfs; }