中南大学通信电子专业通信网原理课程设计.docx
《中南大学通信电子专业通信网原理课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中南大学通信电子专业通信网原理课程设计.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
中南大学通信电子专业通信网原理课程设计
题目名称：
CRC-32校验通信软件设计
一、设计目标
环境要求：
Windows；信息交换内容为文本文件；WinSock通信
编码要求：
用模2除法计算CRC码，生成多项式为CRC-32
功能要求：
能在两台计算机机上运行程序，一台产生CRC码，另一台校验。
二、设计原理和方法
1.CRC简介及原理
CRC，即循环冗余校验法是一种功能较强的检测技术。
循环冗余校验法是将所传输的数据除以一个预先设定的除数，所得的余数作为冗余比特，附加在要发送数据的末尾，被称为循环冗余校验码（CRC码），这样，实际传输的数据就能够被预先设定的除数整除。
当整个数据传送到接收方后，接收方就利用同一个除数去除接收到的数据，如果余数为0，即表明数据传输正确，否则意味着数据传输出现了差错。
确定循环冗余校验码的关键在于二进制序列的除法计算上。
其规则是：
加法、减法运算都是进行异或（XOR）运算，加法不进位，减法不借位。
计算方法如下：
在数据的末尾加上n个0，n等于除数的位数减1；
采用二进制除法规则（模2除法），计算加长的数据除以预先设定的除数，得到的余数即为循环冗余校验码；
将循环冗余校验码替换数据末尾的n个0，即得出整个传输的数据。
CRC-32是CRC的校验标准之一，其除数，即生成多项式为：
g（x）=x32+x26+x23+x22+x16+
x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1，其对应校验二进制为 100000100110000010001110110110111，16进制记为104C11DB7。
按上述规则先将要发送的二进制序列数左移32位后,再除以多项式g（x），最后得到的余数即是CRC-32码。
将CRC-32码替换发送数据末尾的32个0，得到整个传输数据。
接在收端收到整个传输数据，将数据除以多项式g（x），若余数为0，则传输正确，去掉后32位即得到需要的数据；若信道有干扰，除以多项式g（x）后余数不为0，则传输失败，等待重传。
2.模2除法计算CRC码的方法
通常的CRC算法是模仿硬件的算法，在计算一个数据段的CRC值时，其CRC值是由求解每个数值的CRC值的和对CRC寄存器的值反复更新而得到的。
假设待测数据是1101011011，生成项是10011，假设有一个4bits的寄存器，通过反复的移位和进行CRC的除法，最终该寄存器中的值就是我们所要求的余数。
3210Bits
+---+---+---+---+
Pop<--|||||<-----Augmentedmessage（已加0扩张的原始数据）
+---+---+---+---+
10011=ThePoly生成项
依据这个模型，我们得到了一个最最简单的算法：
把register中的值置0.
把原始的数据后添加w个0.
While（还有剩余没有处理的数据）
Begin
把register中的值左移一位，读入一个新的数据并置于register最低位的位置。
If（如果上一步的左移操作中的移出的一位是1）
register=registerXORPoly.
End
实际上就是模拟XOR除法的过程，即被测数据一位一位放到寄存器中来做除法。
比如生成项是10011，则生成的余数是4位XXXX，所以寄存器是4位。
待测数据是1101011011，后面加上0000，即扩张4位，以容纳余数。
只要与生成项的0011做XOR就好了，最高位经过XOR肯定出0，可不用最高位。
3.Winsock通信的原理
套接字（Socket）是网络通信的基本构件。
套接字是可以被命名的通信端点，应用程序通过它在网络上发送和接收数据。
每个套接字都有其类型，并有一个与之相连的进程。
TCP/IP提供3种类型套接字：
流式套接字（SOCK—STREAM）、数据包套接字（SOCK—DGRAM）、原始式套接字（SOCK—RAW）。
流式套接字（SOCK—STREAM）提供一个面向连接、可靠的数据传输服务，数据无差错、无重复地发送，且按发送顺序接收。
内设流量控制，避免数据流超限；数据被看作字节流，无长度限制。
流式套接字提供了一种可靠的面向连接的数据传输方式，如果想发送大批量数据或想让数据按顺序无重复地到达目的地，流式套接字最为有用。
本文使用流式套接字。
通过一个客户机/服务器模式的网络应用程序，实现对CSocket类的派生和应用为例介绍网络通信的实现。
数据集中管理需要融合各控制系统的不同数据，由于各控制系统连接在不同的网络上，要融合其中的实时信息需要解决异种网联的问题，而TCP/IP协议无疑是一个很好的选择。
对于各集中监测系统，与数据集中管理系统同在中央调度室，因此可以在遵循TCP/IP协议的局域网中进行实时通信。
在TCP/IP协议下利用Socket进行网络编程，自然就会涉及到C/S（客户机/服务器）模式，即客户端向服务器发出请求，服务器接收到请求后提供相应的服务。
客户机/服务器模式在操作过程中采取的是主动请求方式。
三、设计功能
本次实验在VC++环境下实现。
发送端：
通过键盘键入信息，对键入的信息进行CRC-32编码，将加入CRC编码的信息通过Winsock传送给接收端。
接收端：
通过Winsock监听到发送端，接收信息。
对接收到的信息进行校验，除以对应的生成项并判断余数是否为0。
余数为0则显示传输成功，否则显示传输失败。
模拟出错情况，改变传输的信息内容，测试程序校验功能。
四、程序框图
1.总程序流程图
发送端（电脑A）---------文本文件传输----------接收端（电脑B）
图4.1总程序流程图
2.基于Winsock的客户机/服务器应用程序基本结构
服务器方（接收端）
初始化本地端口，用Socket创建本地端口
绑定本地端口，用Bind（）指定本地地址
倾听此端口，Listen（）监听连接
客户方（发送端）
初始化本地端口用Socket创建本地端口1
接收请求，用Accept（）接收请求
连接服务器端口，用Connect（）连接
阻塞、等待客户请求
发送请求数据，用Send（）发送
在此连接端口接受传输数据，用Receive（）
在此连接端接受传输数据，用Receive（）
发送响应数据，用Send（）
断开连接，用Close（）关闭端口
断开连接，用Close（）关闭端口
结束服务
图4.2Winsock通信基本结构
五、程序清单
1.发送端电脑A源程序
#include
#include
#include
#include
#pragmacomment（lib,"Ws2_32.lib"）
__int64crc;//定义全局变量crc
__int64create（__int64data,__int64POLY,intcrcbitnumber）//生成crc码子函数
{
__int64regi=0x0;//使寄存器为0
__int64data_temp;
data_temp=data;
intdatabitnumber=32;//定义数据位数，即输入的十六进制数最多8位
data<<=crcbitnumber;//data左移32位即在数据位后添加32个0
for（intcur_bit=databitnumber+crcbitnumber-1;cur_bit>=0;--cur_bit）//处理64次（32比特待测数据＋32比特扩展0），前32次是加载32比特待测数据，后32次是加载一比特扩展0
{
if（（（regi>>crcbitnumber）&0x0001）==0x1）regi=regi^POLY;
regi<<=1;
unsignedshorttmp=（data>>cur_bit）&0x0001;//加载待测数据1比特到tmp中，tmp只有1比特
regi|=tmp;//这1比特加载到寄存器中
}
if（（（regi>>crcbitnumber）&0x0001）==0x1）
regi=regi^POLY;//做最后一次XOR
printf（"\t\t\tcrc=%I64d\n",regi）;
crc=regi;
data_temp<<=32;
data_temp=data_temp+regi;
returndata_temp;
}
voidSend（__int64code）
{
WORDwVersionRequested;
WSADATAwsaData;
interr;
wVersionRequested=MAKEWORD（2,2）;
err=WSAStartup（wVersionRequested,&wsaData）;
if（err!
=0）
{
return;
}
if（LOBYTE（wsaData.wVersion）!
=2||
HIBYTE（wsaData.wVersion）!
=2）
{
WSACleanup（）;
return;
}
SOCKETsocketClient=socket（AF_INET,SOCK_STREAM,0）;
SOCKADDR_INaddrSrv;
addrSrv.sin_family=AF_INET;
addrSrv.sin_port=htons（6000）;
addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr（"127.0.0.1"）;//服务器端的IP地址
connect（socketClient,（SOCKADDR*）&addrSrv,sizeof（SOCKADDR））;
charrecvBuf[256];
charsendBuf[100];
recv（socketClient,recvBuf,256,0）;
sprintf（sendBuf,"%I64x",code）;
send（socketClient,sendBuf,strlen（sendBuf）+1,0）;
closesocket（socketClient）;
WSACleanup（）;
}
intmain（）
{
__int64code;//code即为实际传输的数据
__int64data;//data为从键盘输入的数据即要传输的数据
__int64POLY=（__int64）0x254028D1*0x7;
intcrcbitnumber=32;
printf（"\n\t\t**************CRC校验发送端**************\n\n"）;
while
（1）
{
printf（"\t\t\t请输入需要传输的数据:
"）;
scanf（"%I64x",&data）;//%x，输入16进制整数
code=create（data,POLY,crcbitnumber）;
printf（"\t\t\tCODE=%I64x\n\n",code）;
Send（code）;
}
getchar（）;
}
2.接收端电脑B源程序
#include
#include
#include
#pragmacomment（lib,"WS2_32.lib"）
__int64exam（__int64data,__int64POLY,intcrcbitnumber）
{
__int64regi=0x0;
__int64data_temp;
data_temp=data;
intdatabitnumber=32;
for（intcur_bit=databitnumber+crcbitnumber-1;cur_bit>=0;--cur_bit）
{
if（（（regi>>crcbitnumber）&0x0001）==0x1）
regi=regi^POLY;
regi<<=1;
unsignedshorttmp=（data>>cur_bit）&0x0001;
regi|=tmp;
}
if（（（regi>>crcbitnumber）&0x0001）==0x1）
regi=regi^POLY;
return（regi）;
}
voidSolve（__int64code）
{
__int64result;
__int64POLY=（__int64）0x254028D1*0x7;
intcrcbitnumber=32;
printf（"\n\t\t**************CRC校验接收端**************\n\n"）;
printf（"\t\t\tcode=%I64x\n\n",code）;
result=exam（code,POLY,crcbitnumber）;
printf（"\t\t\tresult=%I64x，",result）;
if（result==0）
{
printf（"数据传输正确!
\n\n"）;
code>>=32;
printf（"\t\t\t去除CRC校验码后数据是%I64x。
\n\n",code）;
}
elseprintf（"\n\t\t\t数据传输失败。
"）;
}
intmain（）
{
__int64code;
WORDwVersionRequested;//版本号
WSADATAwsaData;
interr;
printf（"\n\t\t**************winsocket服务端**************\n\n"）;
wVersionRequested=MAKEWORD（2,2）;//2.2版本的套接字
//加载套接字库,如果失败返回
err=WSAStartup（wVersionRequested,&wsaData）;
if（err!
=0）
{
return0;
}
//判断高低字节是不是2,如果不是2.2的版本则退出
if（LOBYTE（wsaData.wVersion）!
=2||
HIBYTE（wsaData.wVersion）!
=2）
{
return0;
}
//创建流式套接字,基于TCP（SOCK_STREAM）
SOCKETsocSrv=socket（AF_INET,SOCK_STREAM,0）;
//Socket地址结构体的创建
SOCKADDR_INaddrSrv;
addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr=htonl（INADDR_ANY）;//转换Unsignedlong型为网络字节序格
addrSrv.sin_family=AF_INET;//指定地址簇
addrSrv.sin_port=htons（6000）;
//指定端口号,除sin_family参数外,其它参数都是网络字节序,因此需要转换
//将套接字绑定到一个端口号和本地地址上
bind（socSrv,（SOCKADDR*）&addrSrv,sizeof（SOCKADDR））;//必须用sizeof，strlen不行
listen（socSrv,5）;
SOCKADDR_INaddrClient;//字义用来接收客户端Socket的结构体
intlen=sizeof（SOCKADDR）;//初始化参数,这个参数必须进行初始化，sizeof
//循环等待接受客户端发送请求
while
（1）
{
//等待客户请求到来；当请求到来后，接受连接请求，
//返回一个新的对应于此次连接的套接字（accept）。
//此时程序在此发生阻塞
SOCKETsockConn=accept（socSrv,（SOCKADDR*）&addrClient,&len）;
charsendBuf[100];
sprintf（sendBuf,"Welcome%stoCSU",
inet_ntoa（addrClient.sin_addr））;//格式化输出
//用返回的套接字和客户端进行通信
send（sockConn,sendBuf,strlen（sendBuf）+1,0）;//多发送一个字节
//接收数据
charrecvBuf[100];
recv（sockConn,recvBuf,100,0）;
closesocket（sockConn）;
sscanf（recvBuf,"%I64x",&code）;
Solve（code）;
}
}
六、测试数据及结果
1.测试数据正确时
发送端：
图6.1发送端
（1）
接收端：
图6.2接收端
（1）
说明：
其中，显示的crc为411981648是十进制表示，转换为16进制，即为CODE中信息后缀内容188e5750。
余数result的结果为0，数据传输正确。
2.测试数据溢出时
发送端：
图6.3发送端
（2）
接收端：
图6.4接收端
（2）
说明：
发送9位16进制信息时，由于code最多为16位16进制，且crc32码为8位16进制数，所以溢出信息的1位最高位。
3.测试数据传输失败时
发送端：
图6.5发送端（3）
接收端：
图6.6接收端（3）
说明：
模拟传输出错情况，改变接收端接收到的数据内容，校验时余数result不为0，所以传输失败。
七、总结
1.课设过程中遇到的问题及解决方案
课设中遇到的第一个难题是数据位数的问题。
int只有4字节，而CRC-32的生成项的二进制形式为33位，在原有信息后面再加上33位后，超出了定义范围。
后经过查找资料发现，__int64可以表示8个字节，即64位，可以满足要求。
但是，VC的输入输出与__int64的兼容就不是很好，会产生错误提示“ nooperatordefinedwhichtakesaright-handoperandoftype'__int64' ”。
此时使用C的写法：
scanf（"%I64d",&a）和printf（"%I64d",a），就可以正确输入输出了。
课设过程中遇到的第二个大难题是生成项0x104C11DB7超出范围，和同学讨论后确定是电脑机器位数不够造成的，可以进行强制转换，经过各种尝试，最终确定强制转换类型为：
__int64POLY=（__int64）0x254028D1*0x7，其中0x254028D1*0x7=0x104C11DB7。
课设中遇到的第三个难题简直是灾难性的，那就是在第一次检查过程中才发现看错了题目条件，将Winsock通信的题目，看错是共享文件通信，所以之前在实验时都是通过共享文件实现通信信息交换。
但是人的潜力是无穷的，虽然时间紧迫，最后我还是结合在网上查找的Winsock通信代码资料，顺利将自己的代码改写完成。
并且在学习通信网的课程时进行的实验，也做过关于socket通信的相关实验，所以我对于socket的基本原理还是比较清楚的，因此这方面的代码上手比较快，加快了自己代码完成的进程。
2.课程成果反思
我所采用的CRC代码算法是模仿硬件的算法，在计算一个数据段的CRC值时，其CRC值是由求解每个数值的CRC值的和对CRC寄存器的值反复更新而得到的。
但是这种算法求CRC的速度较慢，还有一种算法可以通过查表来快速完成，叫做“驱动表法”算法。
对于“驱动表法”可以再多多思考
另外，我是通过直接修改代码中计算公式来模拟传输出错的，其实也可以在代码中多加入一个模拟出错模块，做一个选项，选择随机位数差错或者突发差错，为传输信息提供随机变化，再通过计算校验传输是否正确。
3.心得体会
这次课设让我受益匪浅，不仅让我对于CRC码算法和模2除法的原理有了透彻的理解，还让我重温了socket通信的算法。
CRC校验码的用途很多，例如CRC-32就应用在ZIP,RAR,IEEE802LAN/FDDI,IEEE1394,PPP-FCS等多个方面。
socket通信也让我对于TCP/IP协议有了更加深入的理解。
另外再次锻炼了我的C语言编程能力，也提醒我要更加注重细节，常言道细节决定成败，在编程这块这是真理。
除却在专业知识上有了更加深入的理解，我也感受到了王老师培养学生能力的拳拳之心。
感谢王老师的教育及督促，今后一定会更加努力提升自己的专业技能。
八、参考资料
[1]施荣华,王国才.《计算机通信网络技术及应用》.中国水利水电出版社2012年
[2]高传善等编著．数据通信与计算机网络，高等教育出版社，2004年
[3]INTERNET相关资料
升级会员 