CS144实验笔记

bazinga_bang

已于 2022-12-03 10:39:01 修改

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分类专栏：学习笔记文章标签：网络 java tcp/ip 网络协议 websocket

于 2022-10-31 16:19:07 首次发布

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CSS144实验笔记

主要根据这位大佬的笔记和B站的教程进行实验；

lab0

介绍字节流的构造，copy大佬代码，熟悉为主，使用了deque数据结构作为Buffer，实现了write,read等功能，同时设置了一些标志位判断是否Input_end;

lab1

设计了StreamReassembler，体现了TCP传输的特点，接收的字节流可能会乱序到达，因此先通过一个set集合装载带有index的substring作为数据单元(同时带有标志位判断是否是eof结束位)，同时设计一个input字节流(lab0中的设计)读取传来的数据,性能上要求尽可能高效地将排好的字节流push走避免在这个assembler中停留过长，同时对后来已经在整理好数据的index之前的数据直接丢弃。set的算法设计比较复杂，直接copy博客大佬代码,bingo~

lab2

先写一个wrap()函数来根据ISN和绝对序列号n转换seqno(精度限制，且可循环),根据文档提示如下图:
wrap_trans

想到的wrap函数实现:先n%2³²，再加上ISN再%2³²即得到32位以内的seqno,和博客思路一致，他的写法非常简洁;unwrap函数也不是很难,想到的思路:seqno的值n不断地加WrappingInt32直到接近checkpoint的位置，加了k次WrappingInt32,则absolute sqn=n+k*WrappingInt32-SYN，博客写法思路一致，C++风格很明显；

TCP receiver的实现

TCP recevier的工作原理:(1)从外界获得segments (2)然后用StreamReassembler重整字节流 (3) 计算应答响应信号和窗口大小，这两个数值最后会传输到发送segment中；如图所示，非灰色部分就是本次实验相关的TCP部分;
TCP
接下来即实现segment的工作过程,如图:
TCP segment
主要实现segment_received()：
通过syn_flag,base_flag等标志为判断能否继续接收segment,接收segment之后更改SYN标志位,直到接收到带有FIN为true的segment，表明接收完毕；
以及实现 ackno() 表示接收窗口的左边界，如果ISN还未set，返回empty option.
大佬就是大佬代码逻辑清晰易懂，再次感谢，自己写是不可能写出来的；

lab3

lab1和lab2的StreamReassembler和TCPReceiver实现的是将segments carried in unreliable datagrams转变成an incoming byte stream.这次实验的目的是做TCPSender，其作用是将translates from an outgoing byte stream to segments that will become the payloads of unreliable datagrams.
TCPSender写的东西比较多，比如和Receiver相关的序列号，SYN标志位，FLAG标志位等，但从Receiver读到的只有ackno应答信号和window_size两个变量，TCPSender应该实现:

keep track到来的window
尽可能地填满窗口直到window is full或者ByteStream为空
keep track哪些segments已经发出但还没被receiver确认收到
超时重传

TCPSender如何知道一个segment是否丢失？
设定一个(retransmission timeout,RTO)重传超时计时器，一旦超时，自动重传请求(ARQ).每次一个segment发出时，如果这个timer没有运行则将它启动，到一个指定时间段后如果未收到确认则重传(还有一些技术细节，比如记录连续重传次数，double RTO的时间等),当receiver发送给sender新数据的响应序列号之后，还要作RTO时间重新初始化，连续重传次数置零等.

直接copy大佬代码自己写肯定是写不出来的，大佬的代码逻辑真的清晰；
主要写的如下几个函数:
fill_window():把字节流打包成segment发送出去，先置标志位SYN，中间有一段非常重要的while循环：

while((remain = win -(next_seqno - recv_ackno))!=0 && !_fin_flag){
	size_t size = min(TCPConfig::MAX_PAYLOAD_SIZE, remain);
    TCPSegment seg;
    string str = _stream.read(size);
    seg.payload() = Buffer(std::move(str));
    // add FIN
    if (seg.length_in_sequence_space() < win && _stream.eof()) {
    	seg.header().fin = true;
        _fin_flag = true;
     }
     // stream is empty
     if (seg.length_in_sequence_space() == 0) {
     	return;
     }
     send_segment(seg);
}

只要窗口长度大于待确认的序列长度就还能继续传输字节流;
ack_received():(参数:ackno,window_size)
设计了一个_segments_outstanding队列，每发送字节就push进去，再根据ackno将已经确认的字节pop出去；
tick()：重传计时器设计
超时之后就把_segments_outstanding中最早的segment重传，重传间隔乘2，重传次数+1，如果没有待重传的segment，重传次数置零；
自定义send_segment(&seg):
置seg.header().seqno位,改_next_seqno位，把seg push到待重传队列中;

lab4

封装TCPReceiver和TCPSender；首先清楚TCPConnection双方都会收发数据；其次难点在于TCP连接的关闭.

为什么要只要三次握手，却要四次挥手？
这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后，它可以把ACK和SYN（ACK起应答作用，而SYN起同步作用）放在一个报文里来发送。但关闭连接时，当收到对方的FIN报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你未必会马上会关闭SOCKET,即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

主要根据tcp_state.cc文件中的状态，结合TCP有限状态机的相关知识，在tcp_connection.cc中实现各个状态之间的转换:
FSM
直接copy大佬代码完成tcp_connection.cc文件中的一些函数,大致能看懂逻辑;
最后check_lab4的时候报了一个用户权限错误，一直没解决，在群里问了一下大家都这样就不管了，刚好云主机最后几天也到期了.就暂告一段落.

lab5

这个实验说是做一个网络接口的封装.先了解一下ARP(Address Resolution Protocol)协议——地址解析协议:

先拿湖科大教书匠的ppt概括一下MAC地址、IP地址和ARP协议几个概念.

MAC地址和IP地址区别:
MAC位于数据链路层(四层体系中的网络接口层),标记以太网的MAC子层的使用地址;
IP地址是位于网际层使用的地址;
在数据包转发过程中源IP地址和目的IP地址保持不变,源MAC地址和目的MAC地址逐个链路(或逐个网络)改变.

大致理解就是MAC地址和IP地址并非永久绑定的,端口的转发通过ARP协议查询下一个端口的MAC地址.
主要任务是完成network_interface.cc中的几个功能实现IP地址到MAC地址的映射.
send_datagram:用来将IP数据包发送到下一个hop:如果目标MAC地址已知,立即发送;如果目标MAC地址未知,广播一个ARP请求;
recv_frame:判断接收对象——如果内部是IPv4帧，则说明接收的是个数据块;如果内部是ARP，说明接收的是个ARP请求:此时作判断是否与自己的IP地址匹配,根据匹配结果返回一个ARP.
还有个tick() 方法略去不表.