2024-CS144-lab3 TCP_Sended的分析与实现

lab3-TCP sender

在上个实验中，我们实现了TCP的接收方，在这次实验中我们将实现TCP发生方。由于TCP协议是全双工通信，要求通信实体两端都可以各自发送数据报或者接收数据报：发送方负责发送带有数据报的分组，收到接收方的ack确认报文以及超时重传以确保TCP协议的可靠性，接收方负责接收可能不按序到达的分组并且将其推入重组器重组，同时，接收方收到信号还需要向发送方发送一个确认分组。

通过阅读文档，我们可以知道TCP-sender需要满足的核心功能：

• 记录接收端发送给它的接收窗口大小_(从TCPReceiverMessages)_中获取，用于做拥塞控制
• 在窗口大小的允许下持续从ByteStream中读取数据，在必要的时候添加SYN和FIN标记（在连接开始时与连接结束时携带）
• 追踪哪些以及发送过的数据报是没有收到接收方的确认的，这部分报文可能需要超时重传
• 没有收到确认的报文在足够长的时间后依然没有得到确认，发送方有责任将其重传

文档中将TCPsend需要处理的事情和特殊情况总结的很到位了，我们先慢慢理清楚思路以及讨论特殊情况

请注意，TCP发送方在发送第一个数据报时SYN一定为true，如果发送方一直没有收到接收方对这个携带SYN的特殊报文的确认，那么发送方发送的后续报文要一直携带SYN标志，知道收到接收方的确认，同理，FIN标志也是一样的。

请注意TCPSender 的 tick 方法每隔几毫秒会被调用一次，参数表示自上次调用以来经过了多少毫秒。你需要用它来维护 TCPSender 存活的总时间。不能调用任何操作系统或 CPU 的时间函数 ，所有时间相关的信息只能通过 tick 方法获取，这样可以保证程序是可测试且确定性的 。所以在构造TCPSender 时，会传入一个初始重传超时时间（RTO）参数，表示重传未确认 TCP 段之前等待的毫秒数。这个 RTO 会随时间变化，但初始值始终不变，代码中会将其保存在一个名为 initial_RTO_ms 的成员变量中。

每当发送一个包含数据的段（即序列空间长度非零的段，不论是首次发送还是重传），如果定时器未在运行 ，就启动定时器，使其在 RTO 毫秒后过期。一旦所有未确认的数据都被确认 （即没有 outstanding segment），就停止定时器。

如果在调用tick方法时，重传定时器已过期，那么我们需要重新发送最早的，尚未被完全确认的分组，（即序列号最小的未确认段），我们需要设计一个数据结构，以便快速找到它，这里我们需要利用先进先出的特性，而且只需要找到最早的未确认分组，很容易想到使用队列进行存储，内部元素类型就是发送出去的报文数据 TCPSenderMessage。如果窗口大小不为0，那么我们需要重传报文并且将RTO的值设置为原来的两倍，这里设置为原来的两倍是课程要求，然后重置计数器，使得记录的时间复位为0。

当发送方收到接收方的确认时，我们需要将计时器的RTO重置为默认值，如果sender还有未完成的数据，重启计时器使其工作，重置重传计数器。

下面我们根据框架代码对要求实现的函数进行分析。

在push方法中，我们需要不断从流中读取字节，直到填满发送窗口、或是填充的数据使得当前报文的负载长度达到了 TCPConfig 中规定的上限。所以push必须尽快将所有缓存的数据全部发送出去，利用滑动窗口机制，可以同时发送多个分组。也就是说我们需要不断地从流中读取字节并组装报文，当读取的数据达到了报文段长度限制后马上把这个报文发送出去，再继续执行读取-组装工作 ，直到流中没有更多数据、或者累计发送出去的字节数达到了接收方的窗口大小。请注意 SYN 和 FIN 字节也要被计入字节序号当中。故窗口大小不足、并且还需要发出 FIN 时，必须把 FIN 字节的发送推迟到下次报文发送。

注意下面的 FAQ 中提及了一个特殊行为：当接收方告知其窗口大小为 0 时，我们需要假装窗口大小为 1，并依然正常发送报文过去，避免陷入死锁。

receive()方法负责根据接收方发送来的确认报文，如果ackno的值大于缓冲区队首报文段中的所有字节序号，也就是说只有队首的报文被全部确认后，才能把这个报文弹出缓冲区。在这个使用中我们不需要根据ackno的值截断队首的报文段，统一设计为该ackno大于该分组末尾的字节序号时才pop出去。如果新的确认报文将缓冲区全部清空了（全部数据都被确认），那么就要停止计时器。

tick()方法主要的点就是不要使用现实世界的时间，在这个方法中根据计时器是否过期判断是否需要重传数据。文档推荐我们将超时计时器设计为一个独立的类，所以我们应该在tick类中调用这个计时器类。

make_empty_message() 正如其名，创建并返回一个零长的报文。在TCPSenderMessage::sequence_length()方法中，我们可以知道一个零长报文有以下特征：SYN和FIN都是false，数据报的负载payload是空的。

在FAQS中还有一些额外的信息：

1. TCPSenderMessage 中的 seqno 必须是当前 TCPSender 要发送的下一个字节序号。
2. 刚开始连接时，假定接收方的窗口大小为 1。
3. 不要裁剪缓冲区的字节数据，即使它们中的部分已经得到了确认。
4. 同样的，即使缓冲区中有多个完整且互相可以连接在一起的字节数据，也没有必要将它们拼在一起。
5. 如果发送了零长报文（make_empty_message() ），不要重传它，也不要启动计时器。

接下来我们总结一下我们需要在各个待完成的函数中要做的事情

push方法

不断的组装报文，并且需要满足每个报文的负载payload长度不大于TCPConfig::MAX_PAYLOAD_SIZE，没有收到确认的字节数量不能超过接收方告知的窗口大小。需要将已经发送但是还未收到确认的字节计入待确认的字节中，每次从 ByteStream 中读取字节后都要检查读端是否已经结束，因为这是发送FIN的标志。当 FIN 已发出、或者 ByteStream 中没有数据、亦或者发出的数据已经填满了滑动窗口，拒绝发出任何报文。还要记得在发送长度非0的报文时启动超时计时器（如果没有启动的话）

receive()方法

要根据接收方发送的信息更新当前发送窗口的大小，这是为了与接收端协调，做拥塞控制。报文中的 ackno 不大于缓冲区队首的首字节序号 seqno + payload.size() 的值时，跳过更新缓冲区。检查 SYN 连接请求是否被确认，并根据检查结果设置以后发出的报文中 SYN 的值（测试用例要求）。只要缓冲区有报文被弹出，就将重传计时器置零。

tick方法

将 ms_since_last_tick 的值加到计时器上。每次更新计时器时，要检查计时器是否已经过期。如果过期的话就重传缓冲区队首元素，递增重传计数器，并将计时器的 RTO 增加为原来的两倍。

下面开始讲解代码的实现：

首先我们按照文档的要求，先设计一个代表超时重传计时器的类出来，然后在TCPsender方法中嵌入这个类的字段表示计时器，再在tick方法调用这个类的方法实现。

class ReTreansmitTimer
{
public:
  explicit ReTreansmitTimer( uint64_t init_rto_time ) : RTO_( init_rto_time ) {};
  bool is_expired() const { return is_open_ && allTime_passed_ >= RTO_; }
  bool is_open() const { return is_open_; }
  // 激活一个分组的计时器，返回引用可以支持链式调用
  ReTreansmitTimer& open();
  // 将超时重传时间变为两倍
  ReTreansmitTimer& timeout();
  // 重置当前计时器
  ReTreansmitTimer& reset();
  // 当前计时器经过了多少时间
  ReTreansmitTimer& tick( uint64_t ms_since_last_tick );

private:
  uint64_t RTO_ {};            // 超时重传时间
  uint64_t allTime_passed_ {}; // 计时器启动之后所经过的总时间
  bool is_open_ { false };     // 定时器是否打开
};

在设计这个类时我们需要实现的计时器操作有，打开计时器、将超时重传时间设置未原来的两倍、重置当前计时器以及当前计时器从激活到现在经过了多少时间。注意这里的函数返回引用是为了进行链式调用，例如timer_.tick( ms_since_last_tick ).is_expired()。

接下来是我额外在TCPsender中补充的字段：

TCPSenderMessage make_message( uint64_t seq, bool syn, std::string payload, bool fin ) const;

  ByteStream input_;
  Wrap32 isn_;
  uint64_t initial_RTO_ms_;

  uint16_t window_size_ { 1 };
  bool zero_window_ {}; // 表示发送方拥塞窗口大小是不是为0，如果为0的话就不加倍超时重传时间
  uint64_t acked_seq_ { 1 };                // 表示发送方收到接收方想要的下一个数据的序列号
  uint64_t seq_num_in_flight_ {};           // 表示已经发送但是未被确认的数据的数目
  uint64_t consecutive_retransmissions_ {}; // 表示超时重发的次数
  uint64_t seq_num_ {}; // 表示发送方将要发送的下一个字符，也可使用queue.front()
  // 用于存储发送数据报的队列，利用先进先出的特性
  std::queue<TCPSenderMessage> outstanding_segment_ {};

  ReTreansmitTimer timer_ { initial_RTO_ms_ };
  /*设置四个标志位，前两个是表示在连接过程中已经确定的状态位，后两个表示是否发送过SYN_和FIN_
  用与应对特殊情况*/
  bool SYN_ { false }, FIN_ { false }, send_FIN_ { false }, send_SYN_ { false };

其中最基本的成员有std::queue<TCPSenderMessage> outstanding_segment_ {};，这个队列存放了我们发送出去的TCP数据报，这些数据报还未收到确认，在push方法中向队列推入消息，在receive方法中根据接收到的确认号不断的从队列中弹出消息。seq_num_in_flight_和consecutive_retransmissions_变量是为了在方法

uint64_t sequence_numbers_in_flight() const;  // For testing: how many sequence numbers are outstanding?
  uint64_t consecutive_retransmissions() const; // For testing: how many consecutive retransmissions have happened?

中调用返回的变量，在push和receive方法中进行更新。timer_变量就是在上一个类中编写的超时计时器，在push方法中我们发送对应信息时要开启一个总的超时计时器，每次调用tick方法时，我们会根据定时器是否过期来选择重传队首的数据，将重传次数++，然后加倍计时器的超时时间。window_size_表示发送窗口的大小，可以使用这个变量协调拥塞控制，在push方法中，发送数据时要检测窗口大小是否允许，在receive方法中，在接收数据时还要根据接收方的窗口大小调整自己的窗口大小，来做拥塞控制。

ack_no_和seq_num_变量就是发送方和接收方用来协调接收与发送进度的工具。注意我还添加了一个方法TCPSenderMessage make_message( uint64_t seq, bool syn, std::string payload, bool fin ) const;，这提供了一层抽象，让我们更方便地构造要发送的数据分组，还可以更快捷的实现make_empty_message()方法，代码可读性与可维护性更强。

剩下的一些变量是我在进行测试时发现有一些特殊情况添加的，这里也鼓励大家多看测试代码，因为测试样例很多，可以面向测试用例编程......

这里是我的代码的完整实现，下面是测试用例通过情况：