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实验2：可靠数据传输协议-停等协议的设计与实现
1.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。
2.实验环境
接入Internet的实验主机；
Windows xp或Windows7/8；
开发语言：python。
3.实验内容
1）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）。
2）模拟引入数据包的丢失，验证所设计协议的有效性。
4.程序设计
在实验报告中要说明所设计停等各个域作用，协议两端程序流程图，协议典型交互过程，数据分组丢失验证模拟方法，程序实现的主要类（或函数）及其主要作用、UDP 编程的主要特点、实验验证结果，详细注释源程序等。
1）协议主要数据结构：
客户端：
服务器：
数据包格式：分为数据分组和确认分组
-数据分组：为数据分组序号后面加上数据内容，如‘0HELLO’
-确认分组：为确认类型与确认分组号，如‘ACK0’。
为了实现丢包，增加NAK类型，如‘NAK0’。
2）协议两端程序流程图：客户端：
服务器：
3）UDP编程的主要特点：
-在python3中，能传输的只有比特字符串，因此要加以转换
-由于是网络编程，很可能发生各种异常，有必要进行捕捉并处理。
停止等待协议停止等待协议（Stop-and-Wait Protocol）是一种简单且常用的协议，用于在数据传输过程中确保数据的可靠性。
这种协议在通信的发送和接收过程中，必须等待对方的确认，并且只有在收到确认之后才能发送下一个数据包。
停止等待协议的基本原理非常简单。
当发送方准备好发送数据时，它先发送一个数据包给接收方。
接收方则等待接收数据，并且在成功接收到数据后，发送一个确认消息给发送方，告诉发送方数据已经接收成功。
发送方接收到确认消息后，就会发送下一个数据包。
如果接收方没有成功接收数据，或者发送方没有成功接收确认消息，那么发送方将重新发送数据包。
在停止等待协议中，数据包的发送和接收都是按照序列号来进行的。
发送方会给每个数据包分配一个唯一的序列号，并且在数据包中加入这个序列号，以便接收方能够准确地识别是哪个数据包。
接收方在接收到数据包之后，会将确认消息中包含这个序列号，以使发送方能够知道哪个数据包已经成功接收。
如果接收方在一定的时间内没有收到正确的序列号的数据包，它会发送一个特殊的确认消息给发送方，告诉发送方需要重新发送这个数据包。
停止等待协议的优点是简单易懂，并且能够确保数据的可靠传输。
它适用于小规模的数据传输，对于大规模的数据传输则效率较低。
这是因为在停止等待协议中，发送方必须等待接收方发送确认消息才能继续发送下一个数据包。
如果网络延迟较高或者丢包率较高，发送方的发送速度将受到很大限制，从而导致传输效率低下。
为了提高传输效率，停止等待协议可以进行一些改进。
一种常见的改进是引入滑动窗口机制。
滑动窗口可以同时发送多个数据包，并且不需要等待接收方发送确认消息。
接收方只需要在收到数据包后按序发送确认消息即可。
这种机制能够充分利用网络带宽，提高传输效率。
总而言之，停止等待协议是一种简单而常用的协议，用于在数据传输过程中确保数据的可靠性。
虽然效率较低，但它的原理简单易懂，适用于小规模的数据传输。
通过引入滑动窗口机制，可以提高传输效率。
实验停止等待协议分析与协议模拟实现一、协议介绍停止等待协议是一种简单的可靠数据传输协议，用于在不可靠信道上进行数据传输。
该协议的基本原理是发送方发送一帧后，等待接收方的确认帧，接收方收到帧后发送确认帧，发送方收到确认帧后才发送下一帧。
本实验旨在分析停止等待协议的性能和实现一个简单的协议模拟。
二、实验步骤1. 确定实验环境- 操作系统：Windows 10- 编程语言：Python 3.9- 开发环境：PyCharm2. 实验准备- 安装Python 3.9和PyCharm- 创建一个新的PyCharm项目，命名为"StopAndWaitProtocolSimulation"3. 实现停止等待协议- 创建一个名为"sender.py"的Python文件，实现发送方的逻辑。
- 创建一个名为"receiver.py"的Python文件，实现接收方的逻辑。
- 在发送方和接收方的代码中，使用Socket编程实现数据的发送和接收。
- 在发送方和接收方的代码中，实现停止等待协议的逻辑，包括发送帧、接收帧、发送确认帧等操作。
4. 编写测试代码- 创建一个名为"test.py"的Python文件，用于测试停止等待协议的性能。
- 在测试代码中，模拟发送方发送多个帧，并统计发送时间、接收时间、丢包率等指标。
- 在测试代码中，输出测试结果并保存到文件中，用于后续分析。
5. 运行实验- 在PyCharm中，分别运行"sender.py"和"receiver.py"。
- 在PyCharm中，运行"test.py"，观察测试结果。
6. 分析实验结果- 根据测试结果，分析停止等待协议的性能，包括吞吐量、延迟、丢包率等指标。
- 根据测试结果，优化停止等待协议的实现，提高性能和可靠性。
三、注意事项1. 确保实验环境的稳定性和可靠性，避免其他应用程序的干扰。
实验停止等待协议分析与协议模拟实现停止等待协议分析与协议模拟实现一、引言停止等待协议是一种简单且常用的协议，用于在数据通信中实现可靠的传输。
本文将对停止等待协议进行详细分析，并进行协议模拟实现。
二、协议分析1. 协议描述停止等待协议是一种基于确认的可靠传输协议。
发送方将数据分割为固定大小的数据包，并逐个发送给接收方。
接收方在成功接收一个数据包后，发送一个确认消息给发送方。
如果发送方在一定时间内未收到确认消息，则认为数据包丢失，需要重新发送。
2. 协议流程发送方：- 将数据分割为固定大小的数据包。
- 发送数据包给接收方。
- 等待接收方发送确认消息。
- 如果在超时时间内未收到确认消息，则重新发送数据包。
接收方：- 接收数据包。
- 发送确认消息给发送方。
- 如果接收到的数据包已经接收过，则丢弃。
3. 协议特点停止等待协议具有以下特点：- 简单易实现：协议的流程简单明了，易于实现。
- 带宽浪费：发送方在等待确认消息期间无法发送新的数据包，导致带宽浪费。
- 无序接收：接收方可能会因为网络延迟或丢包而导致数据包无序接收。
三、协议模拟实现为了更好地理解停止等待协议的工作原理，我们将进行协议模拟实现。
以下是实现的步骤：1. 环境准备- 安装模拟器软件：我们将使用Python编程语言来实现停止等待协议的模拟。
请确保您的计算机上已经安装了Python环境。
- 导入必要的库：在Python程序中，我们需要导入socket库来进行网络通信。
2. 发送方实现- 创建发送方套接字：使用socket库创建发送方套接字，并指定通信协议和端口号。
- 读取待发送的文件：从本地文件系统中读取待发送的文件，并将文件内容分割为固定大小的数据包。
- 发送数据包：使用发送方套接字将数据包发送给接收方。
- 等待确认消息：设置超时时间，等待接收方发送确认消息。
- 处理超时：如果在超时时间内未收到确认消息，则重新发送数据包。
3. 接收方实现- 创建接收方套接字：使用socket库创建接收方套接字，并指定通信协议和端口号。
实验停止等待协议分析与协议模拟实现一、实验目的和任务1.掌握停止等待协议的原理及分析过程包括使用状态转移图进行协议的分析。
2.在计算机上编程模拟停止等待协议的工作过程并实现文件的端到端传输。
3.能够在文件的传输过程中表现出协议运行所遇到的各种状况，如丢包，差错控制等二、分析与设计1.设计任务分析：停止等待协议是数据链路层的几个协议中最简单的协议，是具有最简单流量控制的数据链路层协议，是数据链路层各种协议的基础。
实验是基于winsock编程，是visual C++ win32控制台运用程序实现的。
它采用客户机/服务器（C/S）模型，即发送数据的一端为客户端，接收数据的一端为服务器端。
停止等待协议就是通过双方的收发数据而达到相互通信的目的。
本实验通过编程模拟实现停止等待协议，随机的发送文件，通过服务器的的接受结果和客户端的接受结果显示理解停止等待协议的原理，掌握其应用。
2.? 协议分析假定 1：链路是理想的传输信道，所传送的任何数据既不会出差错也不会丢失。
假定 2：不管发方以多快的速率发送数据，收方总是来得及收下，并及时上交主机。
这个假定就相当于认为：接收端向主机交付数据的速率永远不会低于发送端发送数据的速率。
如果存在这样的传输信道，数据链路层协议也是不需要的。
信道不会出错，而且接收方缓存的容量为无限大而永远不会溢出；或接收速率与发送速率绝对精确相等。
在上述两个假定的情况下，数据链路层当然就不需要任何协议就可以保证数据传输的正确。
这就是说，传输数据的信道是不可靠的（即不能保证所传的数据不产生差错），并且还需要对数据的发送端进行流量控制。
现在不能保证接收端向主机交付数据的速率永远不低于发送端发送数据的速率。
由收方控制发方的数据流收方每接受到发方一帧后,回复确认帧,让发方继续发送下一帧,并且收方将数据帧交给上层软件识别,出现错误就将帧丢掉. 在大多数协议中，流量控制是一组过程，这组过程是用来告诉发送方在等待接收方的应答信号之前最多可以传送多少数据。
停止等待协议计算例题一、例题1。
1. 题目。
- 已知数据链路层采用停止等待协议传输数据，发送方发送的数据帧长度为1000字节（包括首部等所有开销），数据传输速率为1Mbps，单向传播时延为10ms。
求发送方发送一帧数据所需的时间，以及从开始发送数据到收到确认帧所需的时间（假设确认帧长度忽略不计）。
2. 解析。
- 首先计算发送一帧数据所需的时间。
- 数据帧长度L = 1000×8位（因为1字节= 8位）=8000位。
- 数据传输速率R = 1Mbps = 1×10^6位/秒。
- 根据公式T_发送=(L)/(R)，可得T_发送=(8000)/(1×10^6) = 8ms。
- 然后计算从开始发送数据到收到确认帧所需的时间。
- 这个时间包括发送数据帧的时间T_发送、传播时延T_p（往返）。
- 已知单向传播时延T_p=10ms，往返传播时延2T_p=2×10 = 20ms。
- 所以从开始发送数据到收到确认帧所需的时间T = T_发送+2T_p=8 +20=28ms。
二、例题2。
1. 题目。
- 在停止等待协议中，发送方发送的数据帧出错的概率为1%，确认帧出错的概率为1%。
若发送方连续发送10个数据帧，求成功发送这10个数据帧平均需要发送的次数。
2. 解析。
- 对于每个数据帧，成功发送一次的概率为(1 - 0.01)×(1 - 0.01)=0.99×0.99 = 0.9801。
- 设发送n次才能成功发送10个数据帧。
- 根据期望公式E(X)=n× p（这里X是发送次数，p是成功发送一次的概率）。
- 对于10个数据帧，期望发送次数n满足10 = n×0.9801，解得n=(10)/(0.9801)≈10.2次。
三、例题3。
1. 题目。
- 停止等待协议中，发送方的发送窗口大小W_S=1，接收方的接收窗口大小W_R=1。
若发送方发送的数据帧序号为0，接收方正确收到该帧并发送确认帧，但确认帧丢失。
实验停止等待协议分析与协议模拟实现协议名称：停止等待协议分析与协议模拟实现一、引言停止等待协议是一种简单的协议，用于数据传输过程中的错误控制。
本协议旨在通过分析停止等待协议的原理、特点和效率，以及通过协议模拟实现来更好地理解该协议的工作原理。
二、协议分析1. 原理停止等待协议的原理是发送方发送数据后等待确认，只有在收到确认后才发送下一个数据。
接收方在收到数据后发送确认，若数据出错则发送否定确认，要求发送方重新发送该数据。
2. 特点停止等待协议的特点包括：- 简单易实现：该协议的实现相对简单，适用于对可靠性要求不高的数据传输。
- 效率低下：发送方必须等待确认才能发送下一个数据，导致传输效率较低。
- 无序传输：发送方发送的数据包在网络中可能以不同的顺序到达接收方。
3. 效率分析停止等待协议的效率主要受以下因素影响：- 传输延迟：发送方等待确认的时间会增加传输延迟。
- 信道利用率：由于发送方必须等待确认，信道可能处于空闲状态，造成信道利用率低。
- 重传次数：若数据出错，发送方需要重传，增加了传输时间和信道占用。
三、协议模拟实现为更好地理解停止等待协议的工作原理，可以进行协议模拟实现。
以下是一个简单的协议模拟实现的示例：1. 发送方实现：发送方需要完成以下步骤：- 将待发送的数据分割成适当大小的数据包。
- 发送数据包，并启动计时器。
- 等待接收方的确认。
- 若接收到确认，则停止计时器，发送下一个数据包。
- 若未接收到确认或接收到否定确认，则重新发送当前数据包。
2. 接收方实现：接收方需要完成以下步骤：- 接收数据包，并发送确认。
- 若接收到的数据包有误，则发送否定确认，要求发送方重新发送该数据包。
- 若接收到的数据包正确，则将数据传递给上层应用。
四、实验结果与分析通过协议模拟实现，可以观察到以下结果：- 传输延迟：发送方等待确认的时间会增加传输延迟，尤其是在网络负载较高的情况下。
- 信道利用率：由于发送方必须等待确认，信道可能处于空闲状态，造成信道利用率低。
停止等待协议
停止等待协议（Stop-and-Wait Protocol）是一种基本
的数据传输协议，它被广泛应用于串行通信领域中。
在停止等待协议中，每次只能发送一帧数据，并需要等待接收方的确认信息后才能发送下一帧数据，所以它也被称为“一帧一确认协议”。
停止等待协议的工作流程如下：发送方发送一帧数据后，等待接收方发送确认信息。
如果在规定的时间内未收到确认信息，发送方就会重新发送这一帧数据。
在接收方收到一帧数据后，如果数据正确，就会发送确认信息，否则就拒绝这一帧数据，发送方会在一段时间后重新发送。
停止等待协议的优点是简单可靠，可以在低速率的链路
上工作，对应用层和物理层的接口比较少。
但是，它的缺点也很明显，即效率低下。
因为每发送完一帧都要等待接收方的确认，这样就会浪费很多时间。
特别是在高速率的链路上，这种协议的效率就更加低下。
为了解决停止等待协议效率低下的问题，人们发明了许
多改进版本，其中最重要的是连续传输协议（Go-Back-N Protocol）和选择重传协议（Selective Repeat Protocol）。
它们使用窗口技术，允许发送方连续发送多个数据帧，而不必等待接收方的确认信息，从而提高了传输效率。
总之，停止等待协议是基本的数据传输协议，虽然效率
低下，但是非常简单、可靠，对于低速率的链路和简单的应用场景仍然有很大的应用价值。
实验停止等待协议分析与协议模拟实现一、实验目的和任务1.掌握停止等待协议的原理及分析过程包括使用状态转移图进行协议的分析。
2.在计算机上编程模拟停止等待协议的工作过程并实现文件的端到端传输。
3.能够在文件的传输过程中表现出协议运行所遇到的各种状况，如丢包，差错控制等二、分析与设计1.设计任务分析：停止等待协议是数据链路层的几个协议中最简单的协议，是具有最简单流量控制的数据链路层协议，是数据链路层各种协议的基础。
实验是基于winsock编程，是visual C++6.0 win32控制台运用程序实现的。
它采用客户机/服务器（C/S）模型，即发送数据的一端为客户端，接收数据的一端为服务器端。
停止等待协议就是通过双方的收发数据而达到相互通信的目的。
本实验通过编程模拟实现停止等待协议，随机的发送文件，通过服务器的的接受结果和客户端的接受结果显示理解停止等待协议的原理，掌握其应用。
2. 协议分析假定 1：链路是理想的传输信道，所传送的任何数据既不会出差错也不会丢失。
假定 2：不管发方以多快的速率发送数据，收方总是来得及收下，并及时上交主机。
这个假定就相当于认为：接收端向主机交付数据的速率永远不会低于发送端发送数据的速率。
如果存在这样的传输信道，数据链路层协议也是不需要的。
信道不会出错，而且接收方缓存的容量为无限大而永远不会溢出；或接收速率与发送速率绝对精确相等。
在上述两个假定的情况下，数据链路层当然就不需要任何协议就可以保证数据传输的正确。
这就是说，传输数据的信道是不可靠的（即不能保证所传的数据不产生差错），并且还需要对数据的发送端进行流量控制。
现在不能保证接收端向主机交付数据的速率永远不低于发送端发送数据的速率。
由收方控制发方的数据流收方每接受到发方一帧后,回复确认帧,让发方继续发送下一帧,并且收方将数据帧交给上层软件识别,出现错误就将帧丢掉.在大多数协议中，流量控制是一组过程，这组过程是用来告诉发送方在等待接收方的应答信号之前最多可以传送多少数据。
tcp断点续传实现原理TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。
它的一个重要特点是可以进行断点续传，即在传输文件时，如果中途出现了网络故障或者数据传输失败，可以在恢复网络连接后从断点处继续传输，而不需要重新传输整个文件。
下面将详细介绍TCP断点续传的实现原理。
TCP断点续传的实现原理主要依赖于TCP协议的一些特性和机制。
TCP协议使用序号（Sequence Number）对传输的数据进行编号，接收端通过序号来确认接收到的数据。
在进行断点续传时，发送端和接收端都需要记录已经传输的数据的序号。
TCP协议中的滑动窗口机制可以控制传输速度和流量控制。
滑动窗口的大小决定了可以发送的数据量，接收端通过通告窗口大小来告知发送端可以接收的数据量。
在断点续传中，滑动窗口的大小可以根据已经传输的数据进行动态调整，以提高传输效率。
在实现断点续传时，发送端和接收端需要进行以下步骤：1. 发送端首先需要将文件划分为较小的数据块，每个数据块都要进行编号。
发送端根据接收端返回的确认信息来确定接收端已经成功接收的数据块，并将已经成功接收的数据块从发送队列中删除。
2. 当发送端发送一个数据块后，会启动一个定时器。
如果定时器超时，说明接收端没有收到该数据块的确认信息，发送端会重新发送该数据块。
3. 接收端收到数据后，会发送一个确认信息给发送端，告知发送端已经成功接收到数据。
确认信息中包含已经成功接收的数据块的序号，发送端可以根据这些序号来判断哪些数据块已经被接收。
4. 如果发送端在发送过程中遇到网络故障或者数据传输失败，发送端会根据已经成功接收的数据块的序号来确定断点位置，并重新发送从断点位置开始的数据块。
5. 当网络连接恢复后，发送端会重新发送从断点位置开始的数据块，接收端会根据未收到的数据块的序号来判断哪些数据块需要重新接收。
通过以上步骤，发送端和接收端可以实现在网络故障或者数据传输失败后的断点续传。
