news 2026/2/4 1:30:25

通信协议仿真：TCP_IP协议栈仿真_（4）.链路层协议仿真

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张小明

前端开发工程师

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通信协议仿真：TCP_IP协议栈仿真_（4）.链路层协议仿真

链路层协议仿真

1. 链路层协议概述

链路层协议是TCP/IP协议栈中的第二层，它负责在网络中相邻节点之间传输数据帧。链路层的主要功能包括：

  • 帧的封装和解封装：将上层协议的数据封装成帧，以便在网络中传输。
  • 错误检测和纠正：通过循环冗余校验（CRC）等方法检测数据帧的传输错误，并进行纠正。
  • 流量控制：控制数据帧的发送速率，避免接收方因处理能力不足而丢弃数据帧。
  • 介质访问控制：管理共享介质的访问，避免多节点同时发送数据导致的冲突。

链路层协议常见的有以太网协议（Ethernet）、点对点协议（PPP）、无线局域网协议（Wi-Fi）等。

2. 以太网协议仿真

2.1 以太网协议基础

以太网协议是链路层协议中最常用的一种，主要用于局域网（LAN）中的数据传输。以太网帧的结构如下：

  • 前导码（Preamble）：56位，用于接收同步信号。
  • 帧开始定界符（Start Frame Delimiter, SFD）：8位，表示帧的开始。
  • 目的MAC地址（Destination MAC Address）：48位，标识帧的接收节点。
  • 源MAC地址（Source MAC Address）：48位，标识帧的发送节点。
  • 类型/长度（Type/Length）：16位，用于标识上层协议或帧的长度。
  • 数据（Data）：46到1500字节，包含上层协议的数据。
  • 帧校验序列（Frame Check Sequence, FCS）：32位，用于检测帧的传输错误。

2.2 以太网帧的生成

2.2.1 生成以太网帧的步骤
  1. 前导码和帧开始定界符：前导码为56位的10101010…10101010，帧开始定界符为10101010。
  2. 填充目的和源MAC地址：使用48位的MAC地址。
  3. 设置类型/长度字段：根据上层协议或数据长度设置。
  4. 填充数据字段：将上层协议的数据填充到数据字段。
  5. 计算帧校验序列（FCS）：使用CRC算法计算FCS。
2.2.2 代码示例

以下是一个Python示例，用于生成一个简单的以太网帧：

importbinasciidefgenerate_ethernet_frame(destination_mac,source_mac,ethertype,data):""" 生成以太网帧 :param destination_mac: 目的MAC地址 :param source_mac: 源MAC地址 :param ethertype: 类型/长度字段 :param data: 数据字段 :return: 完整的以太网帧 """# 前导码和帧开始定界符preamble=binascii.unhexlify('55'*56)sfd=binascii.unhexlify('55'*8)# MAC地址转换为字节destination_mac_bytes=binascii.unhexlify(destination_mac.replace(':',''))source_mac_bytes=binascii.unhexlify(source_mac.replace(':',''))# 类型/长度字段转换为字节ethertype_bytes=binascii.unhexlify(format(ethertype,'04x'))# 计算FCSframe_without_fcs=preamble+sfd+destination_mac_bytes+source_mac_bytes+ethertype_bytes+data fcs=binascii.crc32(frame_without_fcs)fcs_bytes=binascii.unhexlify(format(fcs,'08x'))# 生成完整的以太网帧complete_frame=frame_without_fcs+fcs_bytesreturncomplete_frame# 示例数据destination_mac='00:1A:2B:3C:4D:5E'source_mac='00:1F:2E:3D:4C:5B'ethertype=0x0800# IPv4data=binascii.unhexlify('4500003C3A89400040112D03C0A80164C0A80165')# 生成以太网帧ethernet_frame=generate_ethernet_frame(destination_mac,source_mac,ethertype,data)print(binascii.hexlify(ethernet_frame))

2.3 以太网帧的解析

2.3.1 解析以太网帧的步骤
  1. 提取前导码和帧开始定界符：检查前导码和SFD是否正确。
  2. 提取目的和源MAC地址：解析48位的MAC地址。
  3. 提取类型/长度字段：确定上层协议或数据长度。
  4. 提取数据字段：解析数据字段。
  5. 验证FCS：使用CRC算法验证FCS的正确性。
2.3.2 代码示例

以下是一个Python示例，用于解析一个以太网帧：

importbinasciidefparse_ethernet_frame(frame):""" 解析以太网帧 :param frame: 完整的以太网帧 :return: 解析后的前导码、SFD、目的MAC地址、源MAC地址、类型/长度字段、数据字段和FCS """# 前导码和SFDpreamble=frame[:7]sfd=frame[7:8]# 目的和源MAC地址destination_mac=frame[8:14]source_mac=frame[14:20]# 类型/长度字段ethertype=int.from_bytes(frame[20:22],byteorder='big')# 数据字段data_length=ethertypeifethertype>1500else1500data=frame[22:22+data_length]# FCSfcs=frame[22+data_length:22+data_length+4]# 验证FCScalculated_fcs=binascii.crc32(frame[:22+data_length])ifcalculated_fcs.to_bytes(4,byteorder='big')!=fcs:raiseValueError("Frame Check Sequence (FCS) is incorrect")return{'preamble':binascii.hexlify(preamble).decode(),'sfd':binascii.hexlify(sfd).decode(),'destination_mac':':'.join(binascii.hexlify(destination_mac).decode()[i:i+2]foriinrange(0,12,2)),'source_mac':':'.join(binascii.hexlify(source_mac).decode()[i:i+2]foriinrange(0,12,2)),'ethertype':ethertype,'data':binascii.hexlify(data).decode(),'fcs':binascii.hexlify(fcs).decode()}# 示例帧frame=binascii.unhexlify('5555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555601A2B3C4D5E001F2E3D4C5B08004500003C3A89400040112D03C0A80164C0A80165C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000## 2. 链路层协议仿真### 2.1 以太网协议基础以太网协议是链路层协议中最常用的一种，主要用于局域网（LAN）中的数据传输。以太网帧的结构如下：-**前导码（Preamble）**：56位，用于接收同步信号。-**帧开始定界符（Start Frame Delimiter,SFD）**：8位，表示帧的开始。-**目的MAC地址（Destination MAC Address）**：48位，标识帧的接收节点。-**源MAC地址（Source MAC Address）**：48位，标识帧的发送节点。-**类型/长度（Type/Length）**：16位，用于标识上层协议或帧的长度。-**数据（Data）**：46到1500字节，包含上层协议的数据。-**帧校验序列（Frame Check Sequence,FCS）**：32位，用于检测帧的传输错误。### 2.2 以太网帧的生成#### 2.2.1 生成以太网帧的步骤1.**前导码和帧开始定界符**：前导码为56位的10101010...10101010，帧开始定界符为10101010。2.**填充目的和源MAC地址**：使用48位的MAC地址。3.**设置类型/长度字段**：根据上层协议或数据长度设置。4.**填充数据字段**：将上层协议的数据填充到数据字段。5.**计算帧校验序列（FCS）**：使用CRC算法计算FCS。#### 2.2.2 代码示例以下是一个Python示例，用于生成一个简单的以太网帧： ```pythonimportbinasciidefgenerate_ethernet_frame(destination_mac,source_mac,ethertype,data):""" 生成以太网帧 :param destination_mac: 目的MAC地址 :param source_mac: 源MAC地址 :param ethertype: 类型/长度字段 :param data: 数据字段 :return: 完整的以太网帧 """# 前导码和帧开始定界符preamble=binascii.unhexlify('55'*56)sfd=binascii.unhexlify('55'*8)# MAC地址转换为字节destination_mac_bytes=binascii.unhexlify(destination_mac.replace(':',''))source_mac_bytes=binascii.unhexlify(source_mac.replace(':',''))# 类型/长度字段转换为字节ethertype_bytes=binascii.unhexlify(format(ethertype,'04x'))# 计算FCSframe_without_fcs=preamble+sfd+destination_mac_bytes+source_mac_bytes+ethertype_bytes+data fcs=binascii.crc32(frame_without_fcs)fcs_bytes=binascii.unhexlify(format(fcs,'08x'))# 生成完整的以太网帧complete_frame=frame_without_fcs+fcs_bytesreturncomplete_frame# 示例数据destination_mac='00:1A:2B:3C:4D:5E'source_mac='00:1F:2E:3D:4C:5B'ethertype=0x0800# IPv4data=binascii.unhexlify('4500003C3A89400040112D03C0A80164C0A80165')# 生成以太网帧ethernet_frame=generate_ethernet_frame(destination_mac,source_mac,ethertype,data)print(binascii.hexlify(ethernet_frame))

2.3 以太网帧的解析

2.3.1 解析以太网帧的步骤
  1. 提取前导码和帧开始定界符：检查前导码和SFD是否正确。
  2. 提取目的和源MAC地址：解析48位的MAC地址。
  3. 提取类型/长度字段：确定上层协议或数据长度。
  4. 提取数据字段：解析数据字段。
  5. 验证FCS：使用CRC算法验证FCS的正确性。
2.3.2 代码示例

以下是一个Python示例，用于解析一个以太网帧：

importbinasciidefparse_ethernet_frame(frame):""" 解析以太网帧 :param frame: 完整的以太网帧 :return: 解析后的前导码、SFD、目的MAC地址、源MAC地址、类型/长度字段、数据字段和FCS """# 前导码和SFDpreamble=frame[:7]sfd=frame[7:8]# 目的和源MAC地址destination_mac=frame[8:14]source_mac=frame[14:20]# 类型/长度字段ethertype=int.from_bytes(frame[20:22],byteorder='big')# 数据字段data_length=ethertypeifethertype>1500else1500data=frame[22:22+data_length]# FCSfcs=frame[22+data_length:22+data_length+4]# 验证FCSframe_without_fcs=frame[:22+data_length]calculated_fcs=binascii.crc32(frame_without_fcs)ifcalculated_fcs.to_bytes(4,byteorder='big')!=fcs:raiseValueError("Frame Check Sequence (FCS) is incorrect")return{'preamble':binascii.hexlify(preamble).decode(),'sfd':binascii.hexlify(sfd).decode(),'destination_mac':':'.join(binascii.hexlify(destination_mac).decode()[i:i+2]foriinrange(0,12,2)),'source_mac':':'.join(binascii.hexlify(source_mac).decode()[i:i+2]foriinrange(0,12,2)),'ethertype':ethertype,'data':binascii.hexlify(data).decode(),'fcs':binascii.hexlify(fcs).decode()}# 示例帧frame=binascii.unhexlify('555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555601A2B3C4D5E001F2E3D4C5B08004500003C3A89400040112D03C0A80164C0A80165C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0C0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000## 2. 链路层协议仿真### 2.1 以太网协议基础以太网协议是链路层协议中最常用的一种，主要用于局域网（LAN）中的数据传输。以太网帧的结构如下：-**前导码（Preamble）**：56位，用于接收同步信号。-**帧开始定界符（Start Frame Delimiter,SFD）**：8位，表示帧的开始。-**目的MAC地址（Destination MAC Address）**：48位，标识帧的接收节点。-**源MAC地址（Source MAC Address）**：48位，标识帧的发送节点。-**类型/长度（Type/Length）**：16位，用于标识上层协议或帧的长度。-**数据（Data）**：46到1500字节，包含上层协议的数据。-**帧校验序列（Frame Check Sequence,FCS）**：32位，用于检测帧的传输错误。### 2.2 以太网帧的生成#### 2.2.1 生成以太网帧的步骤1.**前导码和帧开始定界符**：前导码为56位的10101010...10101010，帧开始定界符为10101010。2.**填充目的和源MAC地址**：使用48位的MAC地址。3.**设置类型/长度字段**：根据上层协议或数据长度设置。4.**填充数据字段**：将上层协议的数据填充到数据字段。5.**计算帧校验序列（FCS）**：使用CRC算法计算FCS。#### 2.2.2 代码示例以下是一个Python示例，用于生成一个简单的以太网帧： ```pythonimportbinasciidefgenerate_ethernet_frame(destination_mac,source_mac,ethertype,data):""" 生成以太网帧 :param destination_mac: 目的MAC地址 :param source_mac: 源MAC地址 :param ethertype: 类型/长度字段 :param data: 数据字段 :return: 完整的以太网帧 """# 前导码和帧开始定界符preamble=binascii.unhexlify('55'*56)sfd=binascii.unhexlify('55'*8)# MAC地址转换为字节destination_mac_bytes=binascii.unhexlify(destination_mac.replace(':',''))source_mac_bytes=binascii.unhexlify(source_mac.replace(':',''))# 类型/长度字段转换为字节ethertype_bytes=binascii.unhexlify(format(ethertype,'04x'))# 计算FCSframe_without_fcs=preamble+sfd+destination_mac_bytes+source_mac_bytes+ethertype_bytes+data fcs=binascii.crc32(frame_without_fcs)fcs_bytes=binascii.unhexlify(format(fcs,'08x'))# 生成完整的以太网帧complete_frame=frame_without_fcs+fcs_bytesreturncomplete_frame# 示例数据destination_mac='00:1A:2B:3C:4D:5E'source_mac='00:1F:2E:3D:4C:5B'ethertype=0x0800# IPv4data=binascii.unhexlify('4500003C3A89400040112D03C0A80164C0A80165')# 生成以太网帧ethernet_frame=generate_ethernet_frame(destination_mac,source_mac,ethertype,data)print(binascii.hexlify(ethernet_frame))

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