计算机网络实验-C++实现以太网帧的模拟封装与发送

这是对之前写的一版更新了一下，修改了一些问题。因为之前写得代码逻辑稍微有些问题，但又不好在原基础上修改，就只好重新修改一下，写一篇文章了，原版：C++实现以太网帧的模拟封装与发送-优快云博客

（注：本文末尾留了完整代码文件链接，可直接免费获取）

一、实验目的与要求

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、环境

代码采用C++语言编写，IDE是Visual Studio 2022。

三、实验原理

以太网（Ethernet）是目前广泛应用于局域网中的一种数据链路层协议。它定义了数据在网络中如何传输，并使用数据帧作为传输单元。以太网帧的结构由多个部分组成，包括帧头、数据负载和帧尾。理解以太网帧的封装结构，对于学习计算机网络协议和数据链路层的工作原理至关重要。

本实验的主要目标是通过C++实现以太网帧的模拟封装与发送。具体过程涉及将数据按照以太网协议要求进行封装，并模拟通过网络进行发送。以太网帧的封装过程大致分为以下几个步骤：

以太网帧结构：
以太网帧由以下几个主要部分组成：

前导码（Preamble）：7字节，作用是同步接收端和发送端的时钟。
起始帧定界符（SFD，Start Frame Delimiter）：1字节，标识帧的起始。
目标MAC地址（Destination MAC Address）：6字节，表示数据帧的接收方。
源MAC地址（Source MAC Address）：6字节，表示数据帧的发送方。
类型字段（Type）：2字节，指示数据字段的协议类型，如IPv4、ARP等。
数据字段（Data）：46-1500字节，包含实际传输的数据。
填充字段（Padding）：如果数据字段少于46字节，会进行填充。
CRC校验和（CRC，Cyclic Redundancy Check）：4字节，用于数据的完整性校验。
以太网帧封装：
在发送数据之前，发送端需要根据以上结构将数据封装成以太网帧。通过将目标MAC地址、源MAC地址、类型字段、数据部分和CRC校验和等内容组织起来，形成一个完整的以太网帧。

封装过程主要包括：

在数据前加上目标和源的MAC地址；
添加类型字段以标识数据内容的协议类型；
如果数据长度小于46字节，则进行填充；
计算并添加CRC校验和以确保数据的完整性。
模拟发送：
虽然在实验中我们不会直接通过物理网络进行数据传输，但可以模拟发送过程。在C++程序中，我们通过模拟以太网帧的发送，实际上是将以太网帧的数据打印输出，进行模拟。

C++实现：
使用C++可以模拟以太网帧的封装过程。为了简单起见，实验中可以使用结构体来表示以太网帧的各个部分，并使用数组或缓冲区来存储完整的帧数据。通过C++中的文件操作，来实现以太网帧的发送。

四、功能与代码

1.结构体定义帧

EthernetFrame结构体定义了一个以太网帧的各个组成部分：
destAddress 和 sourceAddress 是两个 vector<unsigned char> 类型的数组，分别存储目的地址和源地址。
etherType 用来表示以太网帧的类型（例如IPv4或ARP）。
payload 是实际的数据载荷。
FCS 是帧校验序列（Frame Check Sequence），用于在数据传输时验证数据的完整性。

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;     // 数据载荷
    unsigned int FCS;                  // 帧校验序列
};

2.读取文件数据

该函数用于从指定文件中读取二进制数据，并将数据以十六进制格式输出到屏幕。
istreambuf_iterator<char> 用于从文件流中按字节读取数据。

void readDataFromFile(const string& filename) {
    ifstream file(filename, ios::binary);
    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;
    } else {
        cerr << "错误：未能打开文件" << endl;
    }
}

3.CRC-32 校验表

 该表是一个预先计算的CRC-32校验表，用于快速计算CRC-32值。CRC-32是常见的错误检测算法，广泛应用于网络协议中。（注意这里下面代码我省略了，因为内容太长，可以在本文末尾最后的链接中，看到完整代码）

const unsigned int crc32Table[256] = { ... };

4. CRC-32 计算

calculateCRC32 函数通过对输入数据执行CRC-32算法来计算校验和。这个过程是基于事先计算的CRC-32查找表进行的。

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;
}

5.组装以太网帧

assembleEthernetFrame 函数组装以太网帧：
先加入目的地址、源地址和以太网类型（etherType）。
然后加入数据载荷（payload）。
最后计算并添加帧校验序列（FCS）到帧中。FCS 是通过计算整个帧（包括目的地址、源地址、类型和数据载荷）后的CRC-32值得到的。

vector<unsigned char> assembleEthernetFrame(EthernetFrame& frame) {
    vector<unsigned char> assembledFrame;
    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);

    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;
}

6.main函数

在 main 函数中：
先从文件中读取数据，并输出该数据。
设置一个以太网帧的目的地址、源地址和类型（IPv4）。
将文件的内容作为载荷数据（payload）加入帧中。
使用 assembleEthernetFrame 函数组装整个以太网帧，并计算 CRC。
将组装好的以太网帧输出到屏幕，最后将帧保存到一个新的文件中。

（注意一定要修改文件路径，只需要修改需要发送内容的文件和保存之后的文件这两处路径，这个只是我电脑上的路径，需要修改成你电脑文件保存路径，这是全部代码唯一需要修改的两处地方）

int main() {
    EthernetFrame frame;

    // 从文件读取数据并显示
    string filename = "D:\\计算机网络\\network_data.dat";
    readDataFromFile(filename);

    // 设置帧内容
    frame.destAddress = { 0x00, 0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55 }; 
    frame.sourceAddress = { 0xAA, 0xBB, 0xCC, 0xDD, 0xEE, 0xFF };
    frame.etherType = 0x0800; // IPv4 数据包类型
    frame.payload.assign(filename.begin(), filename.end()); // 文件内容作为载荷

    // 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;

    // 将组装好的帧保存到文件
    ofstream outputFile("D:\\计算机网络\\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;
}

五、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。

六、完整代码文件

夸克网盘链接：https://pan.quark.cn/s/15c9566fab3c