Lab3 链路层实验

注意事项

• 截止日期：2023年5月22日23:59
• 提交邮箱：hongzhuyu@stu.xmu.edu.cn
• 逾期提交每天会扣除5%的分数，最高扣35%

简介

到目前为止，我们主要在学习物理层，已经设计了帧同步算法和离线OFDM接收机的信号处理模块。在本次实验中，我们将开始学习链路层，特别是在物理层不可避免出现错误情况下，在链路层实现可靠传输。具体来说，我们将首先设计一个“ 发送机 与 接收机 ”，并构建两个单向通信的节点（节点A作为发送机，节点B作为接收机）；接着设计两个“收发机”，其中收发机既有发送模块也有接收模块，并构建两个双向通信的节点。

为了简化实现，本实验将使用简化的物理层，不进行物理层信号处理。即采用Socket直接模拟双向物理层通信链路传输数据包（该链路将有时延与丢包），然后要求同学们在非可靠物理层基础上实现ARQ可靠传输协议。该协议未来是可以在Pluto SDR平台上运行，将会用于大项目。这里 Socket 是计算机网络课程中介绍的一个重要概念，它是互联网多样应用程序的基石。Socket本身是应用层与传输层的接口，在传输层之下会有网络层、链路层与物理层。本实验只是用Socket在本地用来模拟两个收发机的通信链路，我们将会提供参考代码，同学们只需要简单的把它抽象成不可靠的通信链路即可。

此外，为了帮助实现收发机，我们将提供了一个基于多线程架构的参考实现，即代码分为链路层（即LLC）和物理层（即PHY），中间使用队列进行交互。在发送方向上，链路层负责根据协议状态生成帧，然后放入队列，物理层负责发送；在接收方向上，物理层负责接收，然后放入队列，链路层提取帧更新协议状态。同学们只需要在这个框架内完成一些函数实现，就能完成本次实验。这里线程是并发编程中的一个基本概念，是一种可以充分利用多核CPU进行处理的方法。

第一部分: 使用Socket PHY测试单向通信（15%）

在这一部分中，节点A只有发送机，节点B只有接收机。在我们提供的参考代码中，节点A发送，节点B接收。

步骤和要求

• 运行下面的代码，并记录控制台的输出 (5%)

(py37)$ python test_nodeB.py -p socket -l single    # run first
(py37)$ python test_nodeA.py -p socket -l single

• 问题1: 解释 tx_packet_queue和 rx_packet_queue的功能 (5%)
• 问题2: 解释 tx_packet_queue_watcher_thread和 rx_packet_queue_watcher_thread的功能 (5%)

第二部分: 使用Socket PHY测试双向通信（20%）

在这一部分中，节点A和B都具有收发机。在我们提供的参考代码中，节点A触发包传输，并且在节点B接收到包后，它将回馈一个随机的包。然后节点A对随机包进行解码。整个过程继续。

步骤和要求

• 运行下面的代码，并记录控制台输出 (5%)

(py37)$ python test_nodeB.py -p socket -l double    # run first
(py37)$ python test_nodeA.py -p socket -l double

• 问题1: 解释单向通信架构和双向通信架构的区别 (5%)
• 问题2：如果使用PlutoSDR PHY搭建物理层，你将如何替换Socket PHY? (10%)

第三部分: 使用Socket PHY开发停止等待ARQ协议 (50%)

步骤和要求

(py37)$ python test_nodeB.py -p socket --arq-mode stop-and-wait-ARQ   # run first
(py37)$ python test_nodeA.py -p socket --arq-mode stop-and-wait-ARQ

• 简述设计思路，解释协议交互流程。 (10%)
• 设计数据帧和ACK帧结构，并描述帧结构各个字段的作用。 (10%)
• 现有框架代码存在延时与丢包（数据帧和ACK都有可能丢失），实现的函数是 simu_pkt_loss_delay()。此外还存在比特错误的可能性。请找出模拟比特错误的代码位置，我们的系统是否要处理这种错误，该如何处理？（10%）
• 在节点A的llc_nodeA.py与节点B的llc_nodeB.py中开发停止等待ARQ协议。运行上述代码，记录控制台输出。提交你开发的程序。(15%)
• 调整丢包概率p=0.5，记录控制台输出。在llc_utils.py中调整丢包概率，具体更改函数 simu_pkt_loss_delay() 中的pkt_loss_rate参数的值。(5%)

说明与提示

• 对于停止等待协议，节点A能否发送下一个数据帧依赖于在是否收到ACK帧，因此可以send()之后等待recv()再执行下一个send()，如果没有收到recv()则超时重传。

第四部分: 使用停止等待ARQ协议实现可靠图像传输 (15%)

步骤和要求

• 在 llc_nodeA.py 中开发新的 send() 函数以使用停止等待ARQ协议来传输从图像中提取的数据包。记录控制台输出以及你使用的图像。提交你开发的程序。(5%)
• 在 llc_nodeB.py 中开发新的 recv() 函数来接收图像的数据包。记录控制台输出，并保存图片。提交你开发的程序。 (10%)

提示

• test_read_save_img.py中提供了读取和保存图片的APIs。图像的基本信息通常包括宽度、高度和灰度。节点A可以将这些信息与第一个数据包一起发送给节点B，然后节点B可以准确地恢复整个图像。
• 可以使用 llc_utils.py 中的 dec2bin 和 bin2dec 实现十进制数与二进制数之间的转换
• 可以自己选择更小的图片来测试你的程序。

第五部分: 实现滑动窗口ARQ (可选，加分5%)

要求

• 描述设计，提交代码
• 截图说明功能正确，能正确传输图片。