建设微网站项目报告,哪个网站做海南二手房,深圳网站公司网站建设,郑州网站排实验架构 除了写入传入流之外#xff0c;TCPReceiver 还负责通知 sender 两件事#xff1a;
“First unassembled” 字节的索引#xff0c;称为“acknowledgment”或 “ackno”。这是接收方需要来自发送方的第一个字节。“first unassembled ” 索引和“first unacceptable…实验架构 除了写入传入流之外TCPReceiver 还负责通知 sender 两件事
“First unassembled” 字节的索引称为“acknowledgment”或 “ackno”。这是接收方需要来自发送方的第一个字节。“first unassembled ” 索引和“first unacceptable ”索引之间的距离。这称为“window size”。
总的来说ackno 和 window size 述了 TCPreceiver 的窗口TCPsender 被允许发送一系列索引。使用该窗口TCPreceiver 可以做到流量控制使发送方限制它发送的数量直到接收方准备好更多的数据。有时我们将 ackno 称为窗口的“左边”( TCPRecsigner 的最小索引)而 ackno window size 则称为“右边缘”(略大于 TCPReceiver 的最大索引)。
在编写 Stream Reassembler 和 Byte Stream 时您已经完成了实现 TCP Receiver 所涉及的大部分算法工作本实验是将这些通用类连接到 TCP 的细节。最困难的部分将涉及考虑 TCP 将如何表示每个字节在流中的位置——称为“sequence number”。
我们将要实现的 TCPReceiver 需要完成的功能
接收 TCP segment重新组装 ByteStream发送 ackno 和 window size 回 TCP sender 以进行流量控制和数据确认
环境配置
当前我们的实验代码位于 master 分支而在完成 Lab 之前需要合并一些依赖代码因此执行以下命令
git merge origin/lab2-startercode之后重新 make 编译即可。
The TCP Receiver
在 Lab2我们将实现一个 TCPReceiver用以接收传入的 TCP segment 并将其转换成用户可读的数据流。
TCPReceiver 除了将读入的数据写入至 ByteStream 中以外它还需要告诉发送者两个属性
第一个未组装的字节索引称为确认号ackno它是接收者需要的第一个字节的索引。第一个未组装的字节索引和第一个不可接受的字节索引之间的距离称为 窗口长度window size。
ackno 和 window size 共同描述了接收者当前的接收窗口。接收窗口是 发送者允许发送数据的一个范围通常 TCP 接收方使用接收窗口来进行流量控制限制发送方发送数据。
总的来说我们将要实现的 TCPReceiver 需要做以下几件事情
接收TCP segment重新组装字节流包括EOF确定应该发回给发送者的信号以进行数据确认和流量控制
1. Translating between 64-bit indexes and 32-bit seqnos
作为热身我们需要实现TCP表示索引的方式。上周您创建了一个StreamReassembler它重组子字符串其中每个字节都有一个64位流索引流中的第一个字节总是索引为0。64位索引足够大我们可以将其视为永不溢出。然而在TCP报头中空间是宝贵的流中的每个字节的索引不是用64位的索引表示的而是用32位的“序列号”或“seqno”表示的。这增加了三个复杂性:
您的实现需要为32位整数进行规划TCP中的流可以是任意长的——对于可以通过TCP发送的字节流的长度没有限制。但是232字节只有4GiB并不是很大。一旦一个32位的序列号计数到232−1流中的下一个字节的序列号将为0。TCP序列号从一个随机值开始为了提高安全性并避免被属于同一端点之间早期连接的旧段所混淆TCP试图确保序列号不会被猜测并且不太可能重复。所以流的序列号不是从0开始的。流中的第一个序列号是一个随机的32位数字称为初始序列号(Initial sequence number, ISN)。这是表示SYN(流的开始)的序列号。其余的序列号在此之后正常运行:数据的第一个字节将有ISN1 (mod 232)的序列号第二个字节将有ISN2 (mod 232)等等。每个逻辑开始和结束占用一个序列号除了确保接收到所有字节的数据外TCP还确保可靠地接收流的开始和结束。因此在TCP中SYN (start -ofstream)和FIN (end- stream)控制标志被分配了序列号。每一个都占用一个序列号。(SYN标志占用的序列号是ISN。)流中的每个数据字节也占用一个序列号。请记住SYN和FIN不是流本身的一部分也不是“字节”——它们表示字节流本身的开始和结束。 #ifndef SPONGE_LIBSPONGE_WRAPPING_INTEGERS_HH
#define SPONGE_LIBSPONGE_WRAPPING_INTEGERS_HH#include cstdint
#include ostream//! \brief A 32-bit integer, expressed relative to an arbitrary initial sequence number (ISN)
//! \note This is used to express TCP sequence numbers (seqno) and acknowledgment numbers (ackno)
class WrappingInt32 {private:uint32_t _raw_value; //! The raw 32-bit stored integerpublic://! Construct from a raw 32-bit unsigned integerexplicit WrappingInt32(uint32_t raw_value) : _raw_value(raw_value) {}uint32_t raw_value() const { return _raw_value; } //! Access raw stored value
};//! Transform a 64-bit absolute sequence number (zero-indexed) into a 32-bit relative sequence number
//! \param n the absolute sequence number
//! \param isn the initial sequence number
//! \returns the relative sequence number
WrappingInt32 wrap(uint64_t n, WrappingInt32 isn);//! Transform a 32-bit relative sequence number into a 64-bit absolute sequence number (zero-indexed)
//! \param n The relative sequence number
//! \param isn The initial sequence number
//! \param checkpoint A recent absolute sequence number
//! \returns the absolute sequence number that wraps to n and is closest to checkpoint
//!
//! \note Each of the two streams of the TCP connection has its own ISN. One stream
//! runs from the local TCPSender to the remote TCPReceiver and has one ISN,
//! and the other stream runs from the remote TCPSender to the local TCPReceiver and
//! has a different ISN.
uint64_t unwrap(WrappingInt32 n, WrappingInt32 isn, uint64_t checkpoint);//! \name Helper functions
//!{//! \brief The offset of a relative to b
//! \param b the starting point
//! \param a the ending point
//! \returns the number of increments needed to get from b to a,
//! negative if the number of decrements needed is less than or equal to
//! the number of increments
inline int32_t operator-(WrappingInt32 a, WrappingInt32 b) { return a.raw_value() - b.raw_value(); }//! \brief Whether the two integers are equal.
inline bool operator(WrappingInt32 a, WrappingInt32 b) { return a.raw_value() b.raw_value(); }//! \brief Whether the two integers are not equal.
inline bool operator!(WrappingInt32 a, WrappingInt32 b) { return !(a b); }//! \brief Serializes the wrapping integer, a.
inline std::ostream operator(std::ostream os, WrappingInt32 a) { return os a.raw_value(); }//! \brief The point b steps past a.
inline WrappingInt32 operator(WrappingInt32 a, uint32_t b) { return WrappingInt32{a.raw_value() b}; }//! \brief The point b steps before a.
inline WrappingInt32 operator-(WrappingInt32 a, uint32_t b) { return a -b; }
//!}#endif // SPONGE_LIBSPONGE_WRAPPING_INTEGERS_HH
这段代码定义了一个名为WrappingInt32的类表示相对于一个任意初始序列号ISN的32位整数。它被用来表示TCP序列号seqno和确认号ackno。此外还定义了一些帮助函数用于转换绝对序列号和相对序列号之间的关系。
具体来说这里的WrappingInt32类只有一个私有成员变量_raw_value它表示一个32位无符号整数的原始值。类中定义了一个公有构造函数explicit WrappingInt32(uint32_t raw_value)用于将一个无符号整数转换为WrappingInt32对象。类还提供了一个公有成员函数uint32_t raw_value() const用于访问对象的原始值。
此外还定义了两个函数wrap和unwrap分别用于将绝对序列号转换为相对序列号以及将相对序列号转换为绝对序列号。wrap函数的输入参数为一个64位无符号整数n和一个WrappingInt32对象isn输出为一个WrappingInt32对象表示n相对于isn的相对序列号。unwrap函数的输入参数为一个WrappingInt32对象n一个WrappingInt32对象isn以及一个64位无符号整数checkpoint输出为一个64位无符号整数表示最接近checkpoint并相对于isn的序列号值为n的绝对序列号。
最后还定义了一些辅助函数如operator-用于计算两个WrappingInt32对象之间的差值operator和operator!用于比较两个WrappingInt32对象是否相等operator用于将一个WrappingInt32对象输出到流中以及operator和operator-分别用于将一个WrappingInt32对象向前或向后移动一定的距离。 //! Transform an absolute 64-bit sequence number (zero-indexed) into a WrappingInt32
//! \param n The input absolute 64-bit sequence number
//! \param isn The initial sequence number
WrappingInt32 wrap(uint64_t n, WrappingInt32 isn) {return isn n;
}//! Transform a WrappingInt32 into an absolute 64-bit sequence number (zero-indexed)
//! \param n The relative sequence number
//! \param isn The initial sequence number
//! \param checkpoint A recent absolute 64-bit sequence number
//! \returns the 64-bit sequence number that wraps to n and is closest to checkpoint
//!
//! \note Each of the two streams of the TCP connection has its own ISN. One stream
//! runs from the local TCPSender to the remote TCPReceiver and has one ISN,
//! and the other stream runs from the remote TCPSender to the local TCPReceiver and
//! has a different ISN.
uint64_t unwrap(WrappingInt32 n, WrappingInt32 isn, uint64_t checkpoint) {uint32_t offset n.raw_value() - wrap(checkpoint, isn).raw_value();uint64_t res checkpoint offset;if (offset (0x80000000) res (0x100000000)) {res - (0x100000000);}return res;
}这段代码包含了两个函数的实现一个是 wrap另一个是 unwrap。
wrap 函数将一个 64 位的绝对序列号转换为一个 32 位的相对序列号以 isn 为初始序列号。
unwrap 函数将一个 32 位的相对序列号转换为一个 64 位的绝对序列号以 isn 为初始序列号并指定一个最近的绝对序列号 checkpoint函数的返回值是一个绝对序列号它等于相对序列号 n 对应的绝对序列号同时又尽可能接近于 checkpoint。
其中 wrap 函数的实现比较简单直接将输入的绝对序列号 n 加上初始序列号 isn得到一个相对序列号即可。
而 unwrap 函数的实现稍微复杂一些。首先计算 n 和 checkpoint 之间的偏移量 offset即 n 对应的绝对序列号与 checkpoint 的绝对序列号之差。然后将 offset 加到 checkpoint 上就得到了 n 对应的绝对序列号 res。
这里需要注意一个问题当 offset 的值比较大时即大于等于 0x80000000此时 n 对应的序列号可能要“绕一圈”从而超过了 32 位的表示范围。因此如果 res 大于等于 0x100000000则需要减去 0x100000000即从头开始计数避免超出 32 位的表示范围。
Implementing the TCP receiver //! Receives and reassembles segments into a ByteStream, and computes
//! the acknowledgment number and window size to advertise back to the
//! remote TCPSender.
class TCPReceiver {//! Our data structure for re-assembling bytes.StreamReassembler _reassembler;//! The maximum number of bytes well store.size_t _capacity;std::optionalWrappingInt32 _ackno{};WrappingInt32 _isn{0};WrappingInt32 _seq{0};// the index of the last reassembled byteuint64_t _checkpt{0};public://! \brief Construct a TCP receiver//!//! \param capacity the maximum number of bytes that the receiver will//! store in its buffers at any give time.TCPReceiver(const size_t capacity) : _reassembler(capacity), _capacity(capacity) {}//! \name Accessors to provide feedback to the remote TCPSender//!{//! \brief The ackno that should be sent to the peer//! \returns empty if no SYN has been received//!//! This is the beginning of the receivers window, or in other words, the sequence number//! of the first byte in the stream that the receiver hasnt received.std::optionalWrappingInt32 ackno() const;//! \brief The window size that should be sent to the peer//!//! Operationally: the capacity minus the number of bytes that the//! TCPReceiver is holding in its byte stream (those that have been//! reassembled, but not consumed).//!//! Formally: the difference between (a) the sequence number of//! the first byte that falls after the window (and will not be//! accepted by the receiver) and (b) the sequence number of the//! beginning of the window (the ackno).size_t window_size() const;//!}//! \brief number of bytes stored but not yet reassembledsize_t unassembled_bytes() const { return _reassembler.unassembled_bytes(); }//! \brief handle an inbound segmentvoid segment_received(const TCPSegment seg);//! \name Output interface for the reader//!{ByteStream stream_out() { return _reassembler.stream_out(); }const ByteStream stream_out() const { return _reassembler.stream_out(); }//!}
};TCPReceiver 的解释如下
TCP 接收器用于接收和重新组装 TCP Segment并计算确认号和窗口大小以返回给远程发送器。
主要成员变量和函数包括
StreamReassembler _reassembler用于重新组装字节的数据结构size_t _capacityTCP 接收器可以同时存储的最大字节数std::optionalWrappingInt32 _ackno{}应该发送到对等端的 ackno如果没有接收到 SYN 则为空WrappingInt32 _isn{0}初始序列号ISNWrappingInt32 _seq{0}接收到的最后一个 TCP 分段的序列号uint64_t _checkpt{0}最后一个重新组装的字节的索引绝对序列号ackno()返回应该发送到对等端的 ackno如果没有接收到 SYN 则为空window_size()返回应该发送到对等端的窗口大小unassembled_bytes()返回已存储但尚未重新组装的字节数segment_received()处理传入的 TCP 分段。
该类的主要功能是
接收传入的 TCP 分段并将其发送到 StreamReassembler 进行重新组装计算应该发送给远程 TCPSender 的 ackno 和窗口大小以便 TCPSender 知道还有多少可用的空间提供 stream_out() 函数用于读取已重新组装的数据。
TCP receiver 在连接生命周期中的状态转移 void TCPReceiver::segment_received(const TCPSegment seg) {/*** note Listen state* def not ackno().has_value() */if (!_ackno.has_value()) {// Handshakeif (seg.header().syn) {auto rd get_random_generator();_isn WrappingInt32(rd());_seq seg.header().seqno;_reassembler.push_substring(move(seg.payload().copy()), 0, seg.header().fin);// SYN or FIN make _ackno1auto ctrl seg.length_in_sequence_space() - seg.payload().size();_ackno WrappingInt32(move(_seq)) ctrl _reassembler.first_unassembled();}return;} /*** note FIN_RECV state* def stream_out.input_ended()*/if (_ackno.has_value() !stream_out().input_ended()) {/*** note SYN_RECV state* def ackno.has_value() and not stream_out.input_ended()* code 48 - 54*/auto index unwrap(move(seg.header().seqno), move(_seq 1), _checkpt); // 1 for the SYN// data too far, considered out of dataif (index _checkpt ((index - _checkpt) 0x80000000)) {return;}// data too far, considered out of dataif (index _checkpt ((_checkpt - index) 0x80000000)) {return;}_reassembler.push_substring(move(Buffer(move(seg.payload().copy()))), index, seg.header().fin);_ackno _ackno.value() _reassembler.first_unassembled() - _checkpt;// FIN should make _ackno 1if (stream_out().input_ended()) {_ackno _ackno.value() 1;}_checkpt _reassembler.first_unassembled();}
}这段代码实现了TCP接收端的主要逻辑即处理TCP段并将它们重新组装成字节流。代码中有几个状态分别对应TCP协议中的连接建立、连接终止和正常数据传输的不同阶段。
首先如果接收端还没有收到 SYN就判断接收到的 TCP 段是否是 SYN如果是则在随机生成一个初始序列号后将接收到的数据传递给 StreamReassembler 进行重新组装并更新需要发送给发送方的确认序列号 _ackno。如果还没有收到 SYN则直接返回。
如果接收端已经收到了 SYN但还没有收到 FIN则在接收到的TCP段中查找相对于已经接收的字节数偏移量并使用 StreamReassembler 对接收到的数据进行重新组装。在重新组装之后需要更新确认序列号 _ackno并且如果数据流已经结束需要将确认序列号加一。如果接收到的数据已经过期或已经在之前的数据段中处理过则不需要重新组装数据直接返回即可。
如果接收端已经收到了FIN则不再接受更多的数据并将 _ackno 加 1 以告诉发送端已经收到了所有数据。
完整代码
wrapping_integers.hhwrapping_integers.cctcp_receiver.hhtcp_receiver.cc
