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Yra
2023-03-18
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Lab4：The TCP Connection

# Lab4：The TCP Connection

lab4.pdf (cs144.github.io) (opens new window)

在这个 lab 中，我们要站在全局的视角上，利用之前实现的 Sender 和 Receiver 来实现 TCP 的连接。

过程中参考了一部分 Stanford-CS144-Sponge 笔记 - Lab 4: The TCP Connection | 吃着土豆坐地铁的博客 (opens new window)

首先在做这个 lab 之前，我们必须对 Sender、Receiver、Connection 的状态机十分熟悉，可以说这个 lab 就是对着他们的 FSM 图来进行实现的。

做之前可以看一下下面几篇文章：

下面是我自己画的一张 TCP 连接的状态机，一共 11 个状态（字有点丑）：


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每一个状态都将由 Sender、Receiver 和 Connection 三者的状态唯一定义，我们将在 segment_received() 对其实现。

下面先来实现一下其他的一些函数。

先是写入数据，也就是我方的 Sender 需要发送的数据。

size_t TCPConnection::write(const string &data) { // 返回写入长度
    if (data.empty()) {
        return 0;
    }
    size_t res = _sender.stream_in().write(data); // 往发送方的 bytestream 写入数据
    _sender.fill_window(); // 根据接收窗口发送数据，数据放进 _segments_out
    send_data(); // 发送数据到 receiver
    return res;
}

而其中的 send_data() 执行了发送的操作，同时还更新了一下我方 Receiver 的操作。具体来说，我们会将 Sender 发送队列中的数据移到 Connection 的队列中；另外，至于后面的发送传输就不是传输层所关心的事了。

void TCPConnection::send_data() {
    // 发送 sender 的信息
    while (!_sender.segments_out().empty()) { // 将 sender 发送队列中的数据放入 connection 的发送队列中
        auto seg = _sender.segments_out().front();
        _sender.segments_out().pop();
        if (_receiver.ackno().has_value()) { // 将自己这里的 receiver 的数据写入首部
            seg.header().ack = true;
            seg.header().ackno = _receiver.ackno().value();
            seg.header().win = _receiver.window_size() > std::numeric_limits<uint16_t>::max() ? std::numeric_limits<uint16_t>::max() : _receiver.window_size(); // 限定最大值
            
        }
        segments_out().emplace(seg); // 放入 connection 的发送队列
    }

    // 如果对方的发送完毕了
    if (_receiver.stream_out().input_ended()) {
        if (_sender.stream_in().eof() == false) {// 我方的发送还未结束(被动连接)
            _linger_after_streams_finish = false; // 不用进入 TIME_WAIT
        } else if (_sender.stream_in().eof() == true && _sender.bytes_in_flight() == 0) { // 我方已经发送完了，且全送达了
            // 如果我方不用进入 TIME_WAIT 或者 我方 TIME_WAIT 结束
            if (_linger_after_streams_finish == false || _time_since_last_segment_received >= 10 * _cfg.rt_timeout)
            _active = false; // 我方关闭连接 cleanly
        }
    }
}

接下来我们要实现计时的函数，其维护了一个变量，来记录距离上一次传输的报文被接受的时间间隔

void TCPConnection::tick(const size_t ms_since_last_tick) {
    if (_active == false) return;

    _time_since_last_segment_received += ms_since_last_tick;
    _sender.tick(ms_since_last_tick);

    if (_sender.consecutive_retransmissions() > TCPConfig::MAX_RETX_ATTEMPTS) { // 重传次数超过上限
        reset_connection(); // 设置 RST
        return;
    }
    send_data();
}

还有设置 RST 位的函数，我们将在适当时候调用该函数，来设置并发送 RST 报文段和设置 error，以及关闭连接，例如重传次数超过上限、unclearly 地关闭连接

void TCPConnection::reset_connection() {
    // 发送 RST 段
    TCPSegment seg;
    seg.header().rst = true;
    segments_out().emplace(seg);

    // 标记错误 和 设置 _active
    _sender.stream_in().set_error();
    _receiver.stream_out().set_error();
    _active = false; 
}

下面是其他的一些比较简单的函数，就不多做解释了

bool TCPConnection::active() const {
    return _active; 
}
size_t TCPConnection::remaining_outbound_capacity() const {
    return _sender.stream_in().remaining_capacity(); 
}

size_t TCPConnection::bytes_in_flight() const {
    return _sender.bytes_in_flight();
}

size_t TCPConnection::unassembled_bytes() const {
    return _receiver.unassembled_bytes(); 
}

size_t TCPConnection::time_since_last_segment_received() const {
    return _time_since_last_segment_received; 
}

最后就是重头 segment_received() 函数。

上文说过我们通过 sender、receiver、connection 状态来定义唯一的连接状态。

其中 sender 和 receiver 的状态定义在之前的实验手册中已经有给出了，下面我们来简单谈一谈 connection 的状态以及八股重灾区 TCP 连接的 3 次握手和 4 次挥手。

在端系统之间利用 TCP 进行通信之前，会先建立 TCP 的连接，其通过 3 次握手来实现，下面是一张来自自顶向下书上的图。

image-20230318223519199

客户主机先主动发起连接，他初始化了一个数据的起始序号 client_isn，并标记了 SYN，具体含义在之前的 lab 中已经有解释过了。服务器接收到这个建立请求的报文段后，如果可以建立，那么他就会为这段连接分配相应的资源，此时服务器是 Passive Open，而这第一个报文段的发送也就是第一次握手；

之后服务器会对这个报文段进行确认，并发送对应的 ACK 确认报文段 client_isn + 1 。与此同时 TCP 是双向的连接，因此服务器也要向客户主机发起一个连接的请求，他会进行和客户主机第一次握手类似的行为，初始化了数据的起始序号 server_isn。然而，前面所说的这两件事可以合并在一起做，即服务器主机发起第二次握手，其用来确认客户主机的连接请求和发起由服务器向客户主机的连接，这个合并操作也被称为捎带；

同理，客户主机也要对接受到的来自服务器的连接请求报文段发送 ACK 确认 server_isn + 1，同时还可以捎带客户要发送给服务器的数据，这被称为第三次握手。

至此，C/S 双方便建立起了 TCP 连接，可以依此来传输数据了。

而当数据传输结束，那么对应的也需要拆除连接，也就需要四次挥手了，下面也是一张来自自顶向下书上的图片：

image-20230318225126031

如图所示，客户主动先发送带有 FIN 的报文段来主动结束，此时服务器是 Passive Close，并回复对应的 ACK 报文段；而随后当服务器的数据页传输结束后，它也会向客户发送带有 FIN 的报文段，客户也会回复对应的 ACK 报文段，这一来一回一共四回，被称为四次挥手。

上面的描述会让 TCP 关闭连接上看上去非常简单，但事实却不是如此，在客户等待由服务器发送回来的 ACK 时，还可能会接收到来此服务器的 FIN，抑或是同时接受到 ACK 和 FIN...而这些都会引起连接进入不同的状态。在这里我们先关注图中有一个特别的部分 “定时等待”，客户此时也就对应着状态机中的 TIME_WAIT 状态。

为什么要设置定时等待呢？

试想如果在接受到 FIN 报文段，并发送 ACK 报文段之后，客户直接关闭连接会有什么事情发生呢？很显然客户发送的 ACK 未必能保证到达目的服务器，那么服务器长时间未能接收到 ACK 的话，它就会不断的重复发送 FIN 报文段，当重复次数到达上限后就会设置 RST 以及 ERROR，并且 unclealy 地关闭连接。此时服务器的 FIN 其实已经被正确接受了，但最终却是以错误的方式关闭了连接，而这显然不是我们想要的结果。

为了尽可能地避免这种现象，在主动关闭连接的一方会在此时进入定时等待状态，其就像个无情的回复机器，一旦接收到 FIN 就会回复对应的 ACK 确认报文段。

需要注意的是，这种现象只能尽可能的避免，具体可以先了解一下两军问题 (opens new window)，因为不能保证发出去的所有 ACK 都能被接受，只要连接关闭依赖于最后一次 ACK，那么就不能完美解决此问题。

在上文中，端系统是否要进入定时等待，即 TIME_WAIT 状态，就用变量 _linger_after_streams_finish 来表示，其值初始默认为 true，而这也就是 connection 的状态部分。

接下来我们对 TCP 连接过程中的 11 种状态以及出现错误的 1 种状态进行定义（可以直接参考 tcp_state.cc ）

TCP 连接状态 Receiver 状态 Sender 状态 Connection 状态
LISTEN LISTEN CLOSED TRUE
SYN_REVD SYN_REVD SYN_SENT TRUE
SYN_SENT LISENT SYN_SENT TRUE
ESTABLISHED SYN_REVD SYN_ACKED TRUE
CLOSE_WAIT FIN_REVD SYN_ACKED FALSE
LAST_ACK FIN_REVD FIN_SENT FALSE
FIN_WAIT_1 SYN_REVD FIN_SENT TRUE
FIN_WAIT_2 SYN_REVD FIN_ACKED TRUE
CLOSING FIN_REVD FIN_SENT TRUE
TIME_WAIT FIN_REVD FIN_ACKED TRUE
CLOSED FIN_REVD FIN_ACKED FALSE
RESET ERROR ERROR FALSE

另外，在 CLOSED 和 RESET 状态中，连接的状态 active 为 false，其余状态都为 true。

了解了上面的内容后就可以开始实现 segment_received() 啦，我们要关注在不同状态下的接收到报文段的各种行为。

// sender、receiver、connection 确定唯一状态，对照 tcp_state.cc
void TCPConnection::segment_received(const TCPSegment &seg) {
    if (_active == false) return;

    // 获取 sender 状态
    auto get_sender_state = [&](const TCPSender &sender) {
        if (sender.stream_in().error()) {
            return "ERROR";
        } else if (sender.next_seqno_absolute() == 0) {
            return "CLOSED";
        } else if (sender.next_seqno_absolute() == sender.bytes_in_flight()) {
            return "SYN_SENT";
        } else if (not sender.stream_in().eof()) {
            return "SYN_ACKED";
        } else if (sender.next_seqno_absolute() < sender.stream_in().bytes_written() + 2) {
            return "SYN_ACKED";
        } else if (sender.bytes_in_flight()) {
            return "FIN_SENT";
        } else {
            return "FIN_ACKED";
        }
    };

    // 获取 receiver 状态
    auto get_receiver_state = [&](const TCPReceiver &receiver) {
        if (receiver.stream_out().error()) {
            return "ERROR";
        } else if (not receiver.ackno().has_value()) {
            return "LISTEN";
        } else if (receiver.stream_out().input_ended()) {
            return "FIN_RECV";
        } else {
            return "SYN_RECV";
        }
    };


    std::string sen_st = get_sender_state(_sender);
    std::string rev_st = get_receiver_state(_receiver);

    _time_since_last_segment_received = 0; // 重置时间

    // 收到 RST 段
    if (seg.header().rst == true) { 
        _sender.stream_in().set_error();
        _receiver.stream_out().set_error();
        _active = false; 
    } 
    // LISTEN
    else if (rev_st == "LISTEN" && sen_st == "CLOSED" && _linger_after_streams_finish == true) {
        // 被动连接 Passive open（进入SYN_REVD）
        if (seg.header().syn) {
            _receiver.segment_received(seg);
            connect(); // 会发送 ACK 和 SYN
        }   
    }
    // SYN_REVD
    else if (rev_st == "SYN_RECV" && sen_st == "SYN_SENT" && _linger_after_streams_finish == true) 
    {
        // sender 接受 ACK（进入ESTABLISHED）
        _receiver.segment_received(seg);
        _sender.ack_received(seg.header().ackno, seg.header().win);
    }
    // SYN_SENT
    else if (rev_st == "LISTEN" && sen_st == "SYN_SENT" && _linger_after_streams_finish == true) 
    {
        // client 收到 ACK 和 SYN，发送 ACK 后进入 ESTABLISHED
        if (seg.header().ack == true && seg.header().syn == true) {
            _sender.ack_received(seg.header().ackno, seg.header().win);
            _receiver.segment_received(seg);
            _sender.send_empty_segment(); // 通过空包，来发送 ACK
            send_data();
        }       
        // client 也作为 server，收到了 SYN，发送 SYN 和 ACK 后进入 SYN_REVD
        else if (seg.header().syn == true && seg.header().ack == false) {
            _receiver.segment_received(seg);
            _sender.send_empty_segment();
            send_data();
        }
    }
    // ESTABLISHED
    else if (rev_st == "SYN_RECV" && sen_st == "SYN_ACKED" && _linger_after_streams_finish == true) {
        _sender.ack_received(seg.header().ackno, seg.header().win);
        _receiver.segment_received(seg);
        if (seg.length_in_sequence_space() > 0) {
            _sender.send_empty_segment(); // 发送 ACK
        }
        _sender.fill_window();
        send_data();
    }
    // FIN_WAIT_1（发送完毕，但接受未完毕）
    else if (rev_st == "SYN_RECV" && sen_st == "FIN_SENT" && _linger_after_streams_finish == true) {
        // 收到 FIN，进入 CLOSING
        if (seg.header().fin == true && seg.header().ack == false) {
            _sender.ack_received(seg.header().ackno, seg.header().win);
            _receiver.segment_received(seg);
        } 
        // 收到 FIN、ACK，发送 ACK，进入 TIME_WAIT
        else if (seg.header().fin == true && seg.header().ack == true) {
            _sender.ack_received(seg.header().ackno, seg.header().win);
            _receiver.segment_received(seg);
            _sender.send_empty_segment();
            send_data();
        }
        // 收到 ACK，进入 FIN_WAIT_2
        else if (seg.header().fin == false && seg.header().ack == true) {
            _sender.ack_received(seg.header().ackno, seg.header().win);
            _receiver.segment_received(seg);
            send_data();
        }
    }
    // FIN_WAIT_2，收到 FIN，发送 ACK，进入 TIME_WAIT
    else if (rev_st == "SYN_RECV" && sen_st == "FIN_ACKED" && _linger_after_streams_finish == true) {
        _sender.ack_received(seg.header().ackno, seg.header().win);
        _receiver.segment_received(seg);
        _sender.send_empty_segment();
        send_data();
    }
    // TIME_WAIT
    else if (rev_st == "FIN_RECV" && sen_st == "FIN_ACKED" && _linger_after_streams_finish == true) {
        // 收到 FIN 的话就发送 ACK（不断开连接）
        if (seg.header().fin == true) {
            _sender.ack_received(seg.header().ackno, seg.header().win);
            _receiver.segment_received(seg);
            _sender.send_empty_segment();
            send_data();
        }
    }
    // CLOSE_WAIT
    else if (rev_st == "FIN_RECV" && sen_st == "SYN_ACKED" && _linger_after_streams_finish == false) {
        if (seg.header().fin) { // 此状态接收到 FIN 报文段说明需要重传
            _sender.send_empty_segment();
        }
        // 继续发送数据
        _sender.ack_received(seg.header().ackno, seg.header().win);
        _receiver.segment_received(seg);
        send_data();
    }
    // LAST_ACK
    else if (rev_st == "FIN_RECV" && sen_st == "FIN_SENT" && _linger_after_streams_finish == false) {
        _sender.ack_received(seg.header().ackno, seg.header().win);
        _receiver.segment_received(seg);
        if (_sender.bytes_in_flight() == 0) {
            _active = false;
        }
    }
    // CLOSING
    else if (rev_st == "FIN_RECV" && sen_st == "FIN_SENT" && _linger_after_streams_finish == true) {
        _sender.ack_received(seg.header().ackno, seg.header().win);
        _receiver.segment_received(seg);
        send_data();
    }
}

由于测试样例很多，会有很多的 corner case......

有一个点我调了很久，也就是在进入 CLOSE_WAIT 状态后，此时如果接受到的报文段带有 FIN，那么我们要重传 ACK 确认报文段，其说明我们先前传过的 ACK 没能正确到达对方。

# 实验结果


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（TEST 我是在 win 上用 WSL2 挂代理跑的，不然很有可能会 TIME_OUT）

#Learning Notes#Computer Networking#CS144：Computer Networking
Last Updated: 3/18/2023, 11:39:18 PM
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