基于Windows套接字编程的网络编码仿真实现

基于Windows套接字编程的网络编码仿真实现摘要：针对网络编码数据传输技术，采用windows套接字编程工具，提出了一种仿真实现方法。在局域网内选取若干个终端模拟网络节点，逻辑上构成一个单源组播网络，各终端上采用socket套接字编程方法，按照网络编码数据传输策略进行收发数据。给出的例子是典型的蝴蝶网络，但容易扩充到一般的单源组播网络。与已有的网络编码仿真器相比，提出的方法具有简便、易于掌握的特点。关键词：线性网络编码；蝴蝶网络；套接字编程；仿真实现simulationimplementationofnetworkcodingbasedonwindowssocketprogrammingshenming,pubao-xing*,tangbin(departmentofinformationengineering,shaoyangcollege,shaoyang422001,hunan,china)【abstract】byuseofwindowssocketprogramming,amethodofsimulationimplementationofnetworkcodingisproposed.inalocalareanetwork,someterminalsareselectedtosimulatethenetworknodeslogicallytoformasinglesourcemulticastnetwork.withadoptingsocketprogramming,theterminalssendorreceiverdataaccordingtothedatatransmissionstrategyofnetworkcoding.theillustratedexampleisatypicalbutterflynetwork,butcaneasilyextendtogeneralsinglesourcemulticastnetwork.comparingwiththeexistingnetworkcodingsimulator,theproposedmethodissimple,convenientandeasilytobemastered.【keywords】linearnetworkcoding;butterflynetwork;socketprogramming;simulationimplementation0引言网络仿真在网络技术的教学和科研中具有重要意义，它为理解网络理论、研究和应用网络技术提供了方便的分析工具，同时也是一种有效研究方法。网络编码[1]是一种新型的数据传输技术，它是传统路由传输技术的扩展：节点不仅进行信息转发与复制，还可以进行信息编码。因网络编码具有能提升网络的吞吐量，增加网络的安全性和鲁棒性等优点[2，3]，从而得到了深入广泛的研究。对于网络编码研究过程中的实验环节和仿真实现，目前通常采用自编模拟程序的方式[4，5]，但该方式不直观，且不利于对实验结果的分析比较，同时，对某些应用性能存在争议[6]；还有一些学者选择ns这一网络仿真平台[7]，但ns本身只支持节点的路由传输，而不支持节点的编码传输，从而必须对其进行扩展，由于ns的复杂性，扩展具有一定的难度；此外，还可以采用硬件的方法构造实验平台实现[8，9]，但必须采用特殊的硬件，实现起来较麻烦。本文提出了一种简便的网络编码仿真实现方法，它不需要特定的软、硬件支持，同时又不同于软件仿真，具有一定的直观性。在局域网内选取若干终端来模拟网络节点，构成逻辑上的单源组播网络，根据网络编码数据传输策略，各节点采用windows套接字编程[10]方法实现数据的接收与发送，宿点对接收到的数据进行解码而恢复出源点播出的信息。实验表明，提出的方法是有效的，且该方法具有软硬件要求低、操作方便的特点，并易于掌握。尽管本文给出的是一个较为简单的网络拓扑结构：蝴蝶网络[11]，但提出的方法适用于一般的单源组播网络。提出的方法为网络编码数据传输技术提供了有效的仿真实现方法，对网络编码的科研和教学具有重要的意义。1网络编码数据传输技术网络编码是路由技术的扩展，除继承了路由传输技术的信息复制与转发功能外，还允许网络节点对信息进行编码后再传输，信息编码建立在有限域上，即编码是各信息在有限域上的线性组合（线性网络编码），宿点从所有的输入信道收到信息后，必须通过联立方程，求解线性方程组才能恢复出源点的信息。图1是典型的蝴蝶网络，在不少文献中用于描述网络编码的原理，它是一个有向无环单源组播网络，其中节点s是源点，t1和t2是宿点，节点2、3、4、5为中间节点。设每条链路的信道容量均为1，即每条链路在单位时间内最多只能传输一个字符，而源点s欲通过网络组播信息至两个宿点t1、t2。若采用路由传输技术，因为节点4至节点5的信道是数据传输的瓶颈，则在一个时间单元内，源点最多只能组播一个字符至两个宿点，若采用网络编码技术，则可以组播两个字符。在同一时间单元内，设源点s要组播两个字符a和b至宿点，则其数据传输过程如下：①s把字符a传输至输出信道,把字符b传输至输出信道。②节点2从信道上接收到字符a后，把它分别转发至输出信道和；节点3从信道上接收到字符b后，把它转发至输出信道和。③节点4分别从信道和上接收字符a和字符b后，对接收到的信息进行编码，即作异或运算:c=a⊕b,然后把编码后的信息c分别传输至输出信道。④节点5从信道收到信息c后，把它分别传输至信道和。⑤宿点t1分别从信道和上收到信息a和c后，作异或运算a⊕c，得到b，从而宿点t1接收到了源点播出的信息a和b；同理，宿点t2分别从信道和3windows套接字编程技术windows的api提供了一系列的套接字编程函数，用于网络通信程序设计[10]。它的函数声明位于头文件winsock2.h中，其函数体包含在“w_32.lib”中，编程时以动态链接库的形式实现，从而程序中必须把相应的头文件和动态链接库加入。程序开始执行时，必须调用wsastartup函数对动态链接库的调用进行初始化，当网络编程结束，必须调用wsacleanup函数来解除动态链接库的加载并释放一定的资源。windowsapi提供了套接字编程方法来实现数据的发送与接收，有三种套接字：流式套接字，数据报套接字和原始套接字。其中流式套接字可以实现tcp协议，数据报套接字可以实现udp协议，原始套接字可以实现ip协议。套接字是数据发送与接收的窗口，并与一个三元组相联系，这个三元组包括“网络协议、ip地址和端口号”，当套接字与这个三元组相联系时，则可以通过该套接字发送或接收数据，当发送数据时，数据从该ip地址对应的网卡中以相应的端口号把数据发送至网络；当接收数据时，凡从网络上发往本机上相应端口号的数据，均可以从该套接字中读出。本文采用数据报套接字，其工作方式为阻塞模式。接收数据与发送数据的编程方法如下所述。3.1数据接收方的工作过程创建数据报套接字:采用socket函数创建数据报套接字。socketsocksrv=socket(af_inet,sock_dgram,0)②定义一个地址变量，用于保存本机ip地址和相应的端口号，并把该地址变量与创建的套接字绑定。sockaddr_inaddrsrv;addrsrv.sin_addr.s_un.s_addr=htonl(inaddr_any);//本机ip地址addrsrv.sin_family=af_inet;//tcp/ip协议addrsrv.sin_port=htons(20012);//选定一个端口号bind(socksrv,(sockaddr*)&addrsrv,len);//把套接字与三元组地址绑定。③从套接字上接收数据:调用recvfrom函数，从套接字中接收数据。intdatalen=recvfrom(socksrv,rcvbuff,bufflen,ddr*)&addrsrv,&len)。其中rcvbuff是接收数据缓冲区的首地址，bufflen是一个整数，为接收数据缓冲区的长度，len是一个整型变量，其值等于sizeof(addrsrv)。当函数调用结束，datalen中保存了实际接收的字节数。④关闭套接字:当数据接收完毕，则需要调用closesocket(socksrv)函数关闭套接字。3.2数据发送方的工作过程①创建数据报套接字②把接收方的ip地址和相应的端口号保存在一个地址变量中；③调用sendfrom函数，通过套接字和地址变量发送数据；sendto(sockclient,sendbuff,len1,0,(sockaddr*)&addrsrv,len);其中sockclient是数据报套接字，sendbuff是发送数据缓冲区的起始地址，len1是要发送数据的字节数，addrsrv是保存了数据接收方的三元组的地址变量。④关闭套接字。在发送和接收数据时，接收方的ip地址与端口号必须与发送方指定目标地址的三元组一致。4网络编码数据传输技术的仿真针对图1的蝴蝶网络，在局域网络选定6个终端，不妨设这7个终端在同一个c类地址(172.16.101)的网段内，其ip地址与端口号的设置如图2所示。这7个终端的主机号分配如下：s：11,2：12,3：13,4:14,5:15,t1:16,t2:17，从而s的ip地址为172.16.101.11,其余节点的ip地址可以类推。假设需要从节点s发送数据至宿点t1和t2，发送的数据是一个字符串“abcdefghijklmnopqrstuvwxyz”,也可以是内容任意的字符串，长度不加限制，若字符串的长度太长，可以采用多次发送。在采用套接字编程时，还必须为套接字设置端口号，各数据传输链路的端口号如下：:20012,:20013,:20026,:20024,:20024,:20037,:20045,:20056,:20057。图2网络节点的ip地址和端口号分配4.1源点s定义存贮字符串的缓冲区senbuff，并把要发送的字符串存入该缓冲区中。把该字符串分成相等的两部分，每一部分的长度各为strlen(sendbuff)/2,然后把每一部分作为udp数据通过图2中指定的端口号发送至指定的节点，其程序段如下：socketsockclient=socket(af_inet,sock_dgram,0);//创建数据报套接字charsendbuff[]=“abcdefghijklmnopqrstuvwxyz”;//发送缓冲区sockaddr_inaddrsrv1,addrsrv2;addrsrv1.sin_addr.s_un.s_addr=inet_addr(“172.16.101.12”);//节点2的ip地址addrsrv1.sin_family=af_inet;addrsrv1.sin_port=htons(20012);//数据传输信道的端口号addrsrv2.sin_family=af_inet;addrsrv2.sin_addr.s_un.s_addr=inet_addr(“172.16.101.13”);//节点3的ip地址addrsrv2.sin_port=htons(20013);//数据传输信道的端口号intlen=sizeof(sockaddr),len1=strlen(sendbuff);sendto(sockclient,sendbuff,len1/2,0,(sockaddr*)&addrsrv1,len);//把字符串的前一半发送至节点2sendto(sockclient,sendbuff+len1/2,len1/2,0,(sockaddr*)&addrsrv2,len);//把字符串的后一半发送至节点3closesocket(sockclient);4.2节点2节点2从源点接收数据，然后分别转发至下游节点，因此需要定义两个套接字，一个套接字用于接收数据，另一个套接字用于发送数据，相应的收发数据的程序段如下：socketsocksrv=socket(af_in