一、目的与要求
计算机网络实验，模拟以太网帧的创建、读取和校验。
目的要求：
(1)设计以太网V2的MAC帧结构的数据结构。
(2)能够从文件中读取来自网络层的数据，并显示到屏幕上。
(3)用模2运算方法由CRC-32函数得到FCS。
(4)加上帧首部和尾部组成发送帧。
(5)将组成的发送帧显示到屏幕上并保存到一个输出文件中。
二、语言与环境
代码采用C++语言编写，IDE是Visual Studio 2022.
三、实验原理
四、实现代码与每步详细解释说明
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <vector>
#include <iomanip>
#include <filesystem> // 用于路径处理
using namespace std;**说明**：引入必要的库文件：
- `iostream`：用于输入输出操作。
- `fstream`：用于文件读写操作。
- `vector`：用于动态数组操作。
- `iomanip`：用于格式化输出。
- `filesystem`：用于处理文件系统路径（C++17 引入）。
struct EthernetFrame {
vector<unsigned char> destAddress; // 目的地址
vector<unsigned char> sourceAddress; // 源地址
unsigned short etherType; // 以太网帧类型
vector<unsigned char> payload; // 实际的数据载荷
unsigned int FCS; // 帧校验序列（Frame Check Sequence），用于检测数据传输中的错误
};**说明**：定义一个名为 `EthernetFrame` 的结构体，表示以太网帧的基本结构：
- `destAddress`：目的地址，通常是6字节的MAC地址。
- `sourceAddress`：源地址，通常也是6字节的MAC地址。
- `etherType`：以太网帧类型，2字节，用于指明上层协议类型（例如IPv4）。
- `payload`：实际的数据载荷，可以是任意长度的数据。
- `FCS`：帧校验序列，用于检测数据传输中的错误。
void readDataFromFile(const string& filename) {
ifstream file(filename, ios::binary);
cout << "从文件中读取的数据:" << endl;
if (file) {
vector<unsigned char> data((istreambuf_iterator<char>(file)), istreambuf_iterator<char>());
for (unsigned char byte : data) {
cout << hex << setw(2) << setfill('0') << static_cast<int>(byte) << " ";
}
cout << endl; // 添加换行符，方便输出阅读
} else {
cerr << "错误：未能打开文件" << endl;
}
}**说明**：定义一个函数 `readDataFromFile`，用于从给定文件中读取二进制数据并以十六进制格式输出：
- `ifstream file(filename, ios::binary)`：以二进制模式打开文件。
- 检查文件是否成功打开。如果成功，则读取文件内容到 `data` 向量中，并逐字节输出为十六进制格式。
- 如果文件无法打开，输出错误信息。
//预先生成的CRC-32表，用于快速查找。
const unsigned int crc32Table[256] = {
0x00000000, 0x77073096, 0xee0e612c, 0x990951ba, 0x076dc419, 0x706af48f,
0xe963a535, 0x9e6495a3, 0x0edb8832, 0x79dcb8a4, 0xe0d5e91e, 0x97d2d988,
0x09b64c2b, 0x7eb17cbd, 0xe7b82d07, 0x90bf1d91, 0x1db71064, 0x6ab020f2,
0xf3b97148, 0x84be41de, 0x1adad47d, 0x6ddde4eb, 0xf4d4b551, 0x83d385c7,
0x136c9856, 0x646ba8c0, 0xfd62f97a, 0x8a65c9ec, 0x14015c4f, 0x63066cd9,
0xfa0f3d63, 0x8d080df5, 0x3b6e20c8, 0x4c69105e, 0xd56041e4, 0xa2677172,
0x3c03e4d1, 0x4b04d447, 0xd20d85fd, 0xa50ab56b, 0x35b5a8fa, 0x42b2986c,
0xdbbbc9d6, 0xacbcf940, 0x32d86ce3, 0x45df5c75, 0xdcd60dcf, 0xabd13d59,
0x26d930ac, 0x51de003a, 0xc8d75180, 0xbfd06116, 0x21b4f4b5, 0x56b3c423,
0xcfba9599, 0xb8bda50f, 0x2802b89e, 0x5f058808, 0xc60cd9b2, 0xb10be924,
0x2f6f7c87, 0x58684c11, 0xc1611dab, 0xb6662d3d, 0x76dc4190, 0x01db7106,
0x98d220bc, 0xefd5102a, 0x71b18589, 0x06b6b51f, 0x9fbfe4a5, 0xe8b8d433,
0x7807c9a2, 0x0f00f934, 0x9609a88e, 0xe10e9818, 0x7f6a0dbb, 0x086d3d2d,
0x91646c97, 0xe6635c01, 0x6b6b51f4, 0x1c6c6162, 0x856530d8, 0xf262004e,
0x6c0695ed, 0x1b01a57b, 0x8208f4c1, 0xf50fc457, 0x65b0d9c6, 0x12b7e950,
0x8bbeb8ea, 0xfcb9887c, 0x62dd1ddf, 0x15da2d49, 0x8cd37cf3, 0xfbd44c65,
0x4db26158, 0x3ab551ce, 0xa3bc0074, 0xd4bb30e2, 0x4adfa541, 0x3dd895d7,
0xa4d1c46d, 0xd3d6f4fb, 0x4369e96a, 0x346ed9fc, 0xad678846, 0xda60b8d0,
0x44042d73, 0x33031de5, 0xaa0a4c5f, 0xdd0d7cc9, 0x5005713c, 0x270241aa,
0xbe0b1010, 0xc90c2086, 0x5768b525, 0x206f85b3, 0xb966d409, 0xce61e49f,
0x5edef90e, 0x29d9c998, 0xb0d09822, 0xc7d7a8b4, 0x59b33d17, 0x2eb40d81,
0xb7bd5c3b, 0xc0ba6cad, 0xedb88320, 0x9abfb3b6, 0x03b6e20c, 0x74b1d29a,
0xead54739, 0x9dd277af, 0x04db2615, 0x73dc1683, 0xe3630b12, 0x94643b84,
0x0d6d6a3e, 0x7a6a5aa8, 0xe40ecf0b, 0x9309ff9d, 0x0a00ae27, 0x7d079eb1,
0xf00f9344, 0x8708a3d2, 0x1e01f268, 0x6906c2fe, 0xf762575d, 0x806567cb,
0x196c3671, 0x6e6b06e7, 0xfed41b76, 0x89d32be0, 0x10da7a5a, 0x67dd4acc,
0xf9b9df6f, 0x8ebeeff9, 0x17b7be43, 0x60b08ed5, 0xd6d6a3e8, 0xa1d1937e,
0x38d8c2c4, 0x4fdff252, 0xd1bb67f1, 0xa6bc5767, 0x3fb506dd, 0x48b2364b,
0xd80d2bda, 0xaf0a1b4c, 0x36034af6, 0x41047a60, 0xdf60efc3, 0xa867df55,
0x316e8eef, 0x4669be79, 0xcb61b38c, 0xbc66831a, 0x256fd2a0, 0x5268e236,
0xcc0c7795, 0xbb0b4703, 0x220216b9, 0x5505262f, 0xc5ba3bbe, 0xb2bd0b28,
0x2bb45a92, 0x5cb36a04, 0xc2d7ffa7, 0xb5d0cf31, 0x2cd99e8b, 0x5bdeae1d,
0x9b64c2b0, 0xec63f226, 0x756aa39c, 0x026d930a, 0x9c0906a9, 0xeb0e363f,
0x72076785, 0x05005713, 0x95bf4a82, 0xe2b87a14, 0x7bb12bae, 0x0cb61b38,
0x92d28e9b, 0xe5d5be0d, 0x7cdcefb7, 0x0bdbdf21, 0x86d3d2d4, 0xf1d4e242,
0x68ddb3f8, 0x1fda836e, 0x81be16cd, 0xf6b9265b, 0x6fb077e1, 0x18b74777,
0x88085ae6, 0xff0f6a70, 0x66063bca, 0x11010b5c, 0x8f659eff, 0xf862ae69,
0x616bffd3, 0x166ccf45, 0xa00ae278, 0xd70dd2ee, 0x4e048354, 0x3903b3c2,
0xa7672661, 0xd06016f7, 0x4969474d, 0x3e6e77db, 0xaed16a4a, 0xd9d65adc,
0x40df0b66, 0x37d83bf0, 0xa9bcae53, 0xdebb9ec5, 0x47b2cf7f, 0x30b5ffe9,
0xbdbdf21c, 0xcabac28a, 0x53b39330, 0x24b4a3a6, 0xbad03605, 0xcdd70693,
0x54de5729, 0x23d967bf, 0xb3667a2e, 0xc4614ab8, 0x5d681b02, 0x2a6f2b94,
0xb40bbe37, 0xc30c8ea1, 0x5a05df1b, 0x2d02ef8d
};
**说明**：定义一个包含256个元素的常量数组 `crc32Table`，用于快速计算CRC-32校验和。该表预先计算了多项式 `0xEDB88320` 的所有可能值，以加速CRC计算。
unsigned int calculateCRC32(const vector<unsigned char>& data) {
unsigned int crc = 0xFFFFFFFF;
for (unsigned char byte : data) {
crc = (crc >> 8) ^ crc32Table[(crc ^ byte) & 0xFF];
}
return crc ^ 0xFFFFFFFF;
}**说明**：定义一个函数 `calculateCRC32`，用于计算给定数据的CRC-32校验和：
- 初始化 `crc` 为 `0xFFFFFFFF`。
- 对数据中的每个字节进行迭代，更新 `crc` 值。
- 返回 `crc` 的最终值，经过反转（按位取反）。
vector<unsigned char> assembleEthernetFrame(EthernetFrame& frame) {
vector<unsigned char> assembledFrame; // 存放组装后的以太网帧数据
assembledFrame.insert(assembledFrame.end(), frame.destAddress.begin(), frame.destAddress.end());
assembledFrame.insert(assembledFrame.end(), frame.sourceAddress.begin(), frame.sourceAddress.end());
assembledFrame.push_back((frame.etherType >> 8) & 0xFF);
assembledFrame.push_back(frame.etherType & 0xFF);
assembledFrame.insert(assembledFrame.end(), frame.payload.begin(), frame.payload.end());
frame.FCS = calculateCRC32(assembledFrame); // 计算并添加FCS
assembledFrame.push_back((frame.FCS >> 24) & 0xFF);
assembledFrame.push_back((frame.FCS >> 16) & 0xFF);
assembledFrame.push_back((frame.FCS >> 8) & 0xFF);
assembledFrame.push_back(frame.FCS & 0xFF);
return assembledFrame;
}**说明**：定义一个函数 `assembleEthernetFrame`，用于组装以太网帧：
- 创建一个空的向量 `assembledFrame`，用于存放组装后的帧。
- 将目的地址、源地址、以太网帧类型和数据载荷依次插入 `assembledFrame` 中。
- 使用 `calculateCRC32` 函数计算帧的 FCS 值并添加到帧的末尾。
- 返回完整的组装好的帧。
int main() {
EthernetFrame frame; // 创建一个以太网帧对象
// 设置帧内容
frame.destAddress = { 0x00, 0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55 }; // 目的地址
frame.sourceAddress = { 0xAA, 0xBB, 0xCC, 0xDD, 0xEE, 0xFF }; // 源地址
frame.etherType = 0x0800; // 以太网帧类型，IPv4 数据包类型
frame.payload = { 'H', 'e', 'l', 'l', 'o', ' ', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd' }; // 实际的载荷数据示例
// 从文件读取数据并显示（可选）
string filename = "D:\\计算机网络实验\\network_data.dat"; // 记得在路径中创建该文件
readDataFromFile(filename);
// 组装以太网帧
vector<unsigned char> assembledFrame = assembleEthernetFrame(frame);
// 显示组装后的帧内容
cout << "组装后的帧内容是：" << endl;
for (unsigned char byte : assembledFrame) {
cout << hex << setw(2) << setfill('0') << static_cast<int>(byte) << " ";
}
cout << endl; // 添加换行符，方便输出阅读
// 将组装好的帧保存到文件
ofstream outputFile("D:\\计算机网络实验\\output_frame.dat", ios::binary);
if (outputFile) {
outputFile.write(reinterpret_cast<char*>(assembledFrame.data()), assembledFrame.size());
} else {
cerr << "错误：未能打开生成的文件" << endl;
}
return 0;
}
**说明**：`main` 函数是程序的入口点，执行以下操作：
1. 创建一个 `EthernetFrame` 对象。
2. 设置该帧的各个字段，包括目的地址、源地址、以太网帧类型和数据载荷。
3. 调用 `readDataFromFile` 函数，从指定文件读取数据并显示（如果需要）。
4. 调用 `assembleEthernetFrame` 函数，组装以太网帧并返回组装后的数据。
5. 将组装好的帧内容以十六进制格式输出到控制台。
6. 将组装好的帧数据保存到指定文件。
五、整体代码
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <vector>
#include <iomanip>
using namespace std;
// 结构体定义以太网帧的结构
struct EthernetFrame {
vector<unsigned char> destAddress;//目的地址
vector<unsigned char> sourceAddress;//源地址
unsigned short etherType;//以太网帧类型
vector<unsigned char> payload;//实际的数据载荷
unsigned int FCS;//帧校验序列（Frame Check Sequence），用于检测数据传输中的错误
};
//从文件中读取数据并显示
void readDataFromFile(const string& filename) {
ifstream file(filename, ios::binary);
cout << "从文件中读取的数据:" << endl;
if (file) {
vector<unsigned char> data((istreambuf_iterator<char>(file)), istreambuf_iterator<char>());
for (unsigned char byte : data) {
cout << hex << setw(2) << setfill('0') << static_cast<int>(byte) << " ";
}
cout << endl; // 添加换行符，方便输出阅读
}
else {
cerr << "错误：未能打开文件" << endl;
}
}
//预先生成的CRC-32表，用于快速查找。
const unsigned int crc32Table[256] = {
0x00000000, 0x77073096, 0xee0e612c, 0x990951ba, 0x076dc419, 0x706af48f,
0xe963a535, 0x9e6495a3, 0x0edb8832, 0x79dcb8a4, 0xe0d5e91e, 0x97d2d988,
0x09b64c2b, 0x7eb17cbd, 0xe7b82d07, 0x90bf1d91, 0x1db71064, 0x6ab020f2,
0xf3b97148, 0x84be41de, 0x1adad47d, 0x6ddde4eb, 0xf4d4b551, 0x83d385c7,
0x136c9856, 0x646ba8c0, 0xfd62f97a, 0x8a65c9ec, 0x14015c4f, 0x63066cd9,
0xfa0f3d63, 0x8d080df5, 0x3b6e20c8, 0x4c69105e, 0xd56041e4, 0xa2677172,
0x3c03e4d1, 0x4b04d447, 0xd20d85fd, 0xa50ab56b, 0x35b5a8fa, 0x42b2986c,
0xdbbbc9d6, 0xacbcf940, 0x32d86ce3, 0x45df5c75, 0xdcd60dcf, 0xabd13d59,
0x26d930ac, 0x51de003a, 0xc8d75180, 0xbfd06116, 0x21b4f4b5, 0x56b3c423,
0xcfba9599, 0xb8bda50f, 0x2802b89e, 0x5f058808, 0xc60cd9b2, 0xb10be924,
0x2f6f7c87, 0x58684c11, 0xc1611dab, 0xb6662d3d, 0x76dc4190, 0x01db7106,
0x98d220bc, 0xefd5102a, 0x71b18589, 0x06b6b51f, 0x9fbfe4a5, 0xe8b8d433,
0x7807c9a2, 0x0f00f934, 0x9609a88e, 0xe10e9818, 0x7f6a0dbb, 0x086d3d2d,
0x91646c97, 0xe6635c01, 0x6b6b51f4, 0x1c6c6162, 0x856530d8, 0xf262004e,
0x6c0695ed, 0x1b01a57b, 0x8208f4c1, 0xf50fc457, 0x65b0d9c6, 0x12b7e950,
0x8bbeb8ea, 0xfcb9887c, 0x62dd1ddf, 0x15da2d49, 0x8cd37cf3, 0xfbd44c65,
0x4db26158, 0x3ab551ce, 0xa3bc0074, 0xd4bb30e2, 0x4adfa541, 0x3dd895d7,
0xa4d1c46d, 0xd3d6f4fb, 0x4369e96a, 0x346ed9fc, 0xad678846, 0xda60b8d0,
0x44042d73, 0x33031de5, 0xaa0a4c5f, 0xdd0d7cc9, 0x5005713c, 0x270241aa,
0xbe0b1010, 0xc90c2086, 0x5768b525, 0x206f85b3, 0xb966d409, 0xce61e49f,
0x5edef90e, 0x29d9c998, 0xb0d09822, 0xc7d7a8b4, 0x59b33d17, 0x2eb40d81,
0xb7bd5c3b, 0xc0ba6cad, 0xedb88320, 0x9abfb3b6, 0x03b6e20c, 0x74b1d29a,
0xead54739, 0x9dd277af, 0x04db2615, 0x73dc1683, 0xe3630b12, 0x94643b84,
0x0d6d6a3e, 0x7a6a5aa8, 0xe40ecf0b, 0x9309ff9d, 0x0a00ae27, 0x7d079eb1,
0xf00f9344, 0x8708a3d2, 0x1e01f268, 0x6906c2fe, 0xf762575d, 0x806567cb,
0x196c3671, 0x6e6b06e7, 0xfed41b76, 0x89d32be0, 0x10da7a5a, 0x67dd4acc,
0xf9b9df6f, 0x8ebeeff9, 0x17b7be43, 0x60b08ed5, 0xd6d6a3e8, 0xa1d1937e,
0x38d8c2c4, 0x4fdff252, 0xd1bb67f1, 0xa6bc5767, 0x3fb506dd, 0x48b2364b,
0xd80d2bda, 0xaf0a1b4c, 0x36034af6, 0x41047a60, 0xdf60efc3, 0xa867df55,
0x316e8eef, 0x4669be79, 0xcb61b38c, 0xbc66831a, 0x256fd2a0, 0x5268e236,
0xcc0c7795, 0xbb0b4703, 0x220216b9, 0x5505262f, 0xc5ba3bbe, 0xb2bd0b28,
0x2bb45a92, 0x5cb36a04, 0xc2d7ffa7, 0xb5d0cf31, 0x2cd99e8b, 0x5bdeae1d,
0x9b64c2b0, 0xec63f226, 0x756aa39c, 0x026d930a, 0x9c0906a9, 0xeb0e363f,
0x72076785, 0x05005713, 0x95bf4a82, 0xe2b87a14, 0x7bb12bae, 0x0cb61b38,
0x92d28e9b, 0xe5d5be0d, 0x7cdcefb7, 0x0bdbdf21, 0x86d3d2d4, 0xf1d4e242,
0x68ddb3f8, 0x1fda836e, 0x81be16cd, 0xf6b9265b, 0x6fb077e1, 0x18b74777,
0x88085ae6, 0xff0f6a70, 0x66063bca, 0x11010b5c, 0x8f659eff, 0xf862ae69,
0x616bffd3, 0x166ccf45, 0xa00ae278, 0xd70dd2ee, 0x4e048354, 0x3903b3c2,
0xa7672661, 0xd06016f7, 0x4969474d, 0x3e6e77db, 0xaed16a4a, 0xd9d65adc,
0x40df0b66, 0x37d83bf0, 0xa9bcae53, 0xdebb9ec5, 0x47b2cf7f, 0x30b5ffe9,
0xbdbdf21c, 0xcabac28a, 0x53b39330, 0x24b4a3a6, 0xbad03605, 0xcdd70693,
0x54de5729, 0x23d967bf, 0xb3667a2e, 0xc4614ab8, 0x5d681b02, 0x2a6f2b94,
0xb40bbe37, 0xc30c8ea1, 0x5a05df1b, 0x2d02ef8d
};
// 根据输入数据计算CRC-32值
unsigned int calculateCRC32(const vector<unsigned char>& data) {
unsigned int crc = 0xFFFFFFFF;
for (unsigned char byte : data) {
crc = (crc >> 8) ^ crc32Table[(crc ^ byte) & 0xFF];
}
return crc ^ 0xFFFFFFFF;
}
//组装以太网帧
vector<unsigned char> assembleEthernetFrame(EthernetFrame& frame) {
vector<unsigned char> assembledFrame;//存放组装后的以太网帧数据
assembledFrame.insert(assembledFrame.end(), frame.destAddress.begin(), frame.destAddress.end());
assembledFrame.insert(assembledFrame.end(), frame.sourceAddress.begin(), frame.sourceAddress.end());
assembledFrame.push_back((frame.etherType >> 8) & 0xFF);
assembledFrame.push_back(frame.etherType & 0xFF);
assembledFrame.insert(assembledFrame.end(), frame.payload.begin(), frame.payload.end());
frame.FCS = calculateCRC32(assembledFrame);//计算并添加FCS
assembledFrame.push_back((frame.FCS >> 24) & 0xFF);
assembledFrame.push_back((frame.FCS >> 16) & 0xFF);
assembledFrame.push_back((frame.FCS >> 8) & 0xFF);
assembledFrame.push_back(frame.FCS & 0xFF);
return assembledFrame;
}
int main() {
EthernetFrame frame;//创建一个以太网帧对象
// 设置帧内容
frame.destAddress = { 0x00, 0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55 };//目的地址
frame.sourceAddress = { 0xAA, 0xBB, 0xCC, 0xDD, 0xEE, 0xFF };//源地址
frame.etherType = 0x0800; // 以太网帧类型，IPv4 数据包类型
frame.payload = { 'H', 'e', 'l', 'l', 'o', ' ', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd' }; // 实际的载荷数据示例
// 从文件读取数据并显示（可选）
string filename = "D:\\计算机网络实验\\network_data.dat";//记得在路径中创建该文件
readDataFromFile(filename);
// 组装以太网帧
vector<unsigned char> assembledFrame = assembleEthernetFrame(frame);
// 显示组装后的帧内容
cout << "组装后的帧内容是：" << endl;
for (unsigned char byte : assembledFrame) {
cout << hex << setw(2) << setfill('0') << static_cast<int>(byte) << " ";
}
cout << endl; // 添加换行符，方便输出阅读
// 将组装好的帧保存到文件
ofstream outputFile("D:\\计算机网络实验\\output_frame.dat", ios::binary);
if (outputFile) {
outputFile.write(reinterpret_cast<char*>(assembledFrame.data()), assembledFrame.size());
}
else {
cerr << "错误：未能打开生成的文件" << endl;
}
return 0;
}
六、一些问题说明和解释
1.CRC-32表一定要这样写吗？
答：不一定需要。在C++中，确实没有内置的 CRC-32 计算库，但是有很多第三方库和工具可以用于计算 CRC-32。
一些流行的 C++ CRC-32 计算库包括 Boost.CRC、zlib、CRC++ 等。这些库提供了方便的接口来计算各种 CRC 校验值。
2.原本文件和生成得文件都需要提前创建吗？为什么后缀是.dat？txt的文本文件不行吗？
答：我们要模仿读取帧和封装帧，所有要读取的文件得提前在确定得路径下创建好，而生成的文件不需要，程序会自动写在确定得路径下。
文本文件和二进制文件在存储和读取数据的方式上有一些不同。如果你将数据保存为文本文件（如.txt），编辑器可能会以文本格式保存数据，这会导致额外的字符（如换行符、回车符）被添加到文件中，这些字符在读取时可能会导致意外的结果。为了确保程序能够正确读取文件中的二进制数据，我们通常建议直接使用二进制文件格式。在这种格式下，数据将按字节存储，不会有任何多余的字符或格式信息。
3.怎么看起来有很多问题？
答：代码是由AI所写，然后自己修改得到的结果。确实存在一部分问题，但该文章只是用来记录自己的学习经历所写，整个模拟实验内容和代码，仅供参考。
