CS144 lab2 tcp_receiver

1. 实验目的

lab2 的目的是实现tcp的接收端。

主要包括两方面

（1） 从发送端接收消息，使用Reassembler聚合字节流（Bytestream）

（2）将确认号（ackno）和window size发回对端

确认号，也就是first_unassembler byte; 而Bytestream可写入的大小，

也就是window size!

ackno和window size两个共同描述了发送方能发送的数据范围。有时我们也叫

$$\begin{gathered} ackno\iff leftedge \\ ackno+windowsize\iff rightedge \end{gathered}$$

这个实验中最困难的部分在于TCP如何在流中表示每一个字节，也就是序列号（sequence number）。

2 实验内容

2.1 序列空间的转换

个人感觉是这个实验比较难的一部分。

我们在Reassebler中的索引是64位的，它足够大几乎不会重叠。

（假如传输速度为100Gbps, 几乎要花50年才能到达$2^{64}$, 而只需要1/3秒就能到达$2^{32}$）。

但在TCP中的序列空间是宝贵的，只有32位。这就带来了一些额外的问题：

• wrap arround回滚，32位的序列空间只有4GB，0~$2^{32}-1$, 超过了这个范围就又会从0开始
• TCP seq numberTCP序列号为了安全，是从一个随机数开始的，它并不从0开始。开始的数我们叫它ISN(Initial Sequance Number, 初始随机数)。
• SYN FIN各自占据一个序列号空间

我们这里就涉及到三种序列号索引空间了。

• TCP 序列号索引
• 绝对序列号
• 流索引

文档中也给了差别比较的表格


序列号索引就是在TCP中的数字；而绝对序列号就是以0开始的，它不会发生回滚。面流索引就是收到的数据的标号了，就不包括SYN FIN。

流索引和绝对序列索引就只差一个1。

而序列号与绝对序列号的转换就需要我们实现了。

从绝对序列号转换为序列号，比较简单。

只需要zero_point + n就可以了。返回值就会自动回滚。

而让我感觉到最困难的就是$32$位的序列号转换成$64$位的绝对序列号了。

事实上文档中给出了解决的方法了，它的提示说不管如何转换。在32位的

序列号中的差值和64位绝对序列号中的差值肯定是一样的。

而它函数中的checkpoint则是离当前64位序列号最近的一个， 用first unassembler idx来充当。

为什么需要这个checkpoint呢？因为一个32位的seq number可以对应很多个64位的绝对序列号！！！

比如seqno=7 ，就可能对应7 7+2^{32} 7 + 2^{33} ... ， 因此需要一个checkpoint来确定到底是哪一个，我们要的是离checkpoint最近的，比如说seqno = 7, checkpoint =6 + 2^{32}，我们一下就能确定abs seqno=7 +2^{32}。

这里还有个难点就是理解这个最近，由于32位置的空间它是回滚的，因此

距离也是有两个的！！！

还是看代码吧！

*wrapping_integers.cc

#include "wrapping_integers.hh"
#include "debug.hh"

using namespace std;

Wrap32 Wrap32::wrap( uint64_t n, Wrap32 zero_point )
{
  // Your code here.
  // debug( "unimplemented wrap( {}, {} ) called", n, zero_point.raw_value_ );
  return zero_point + static_cast<uint32_t>( n & 0xFFFFFFFF );
}

uint64_t Wrap32::unwrap( Wrap32 zero_point, uint64_t checkpoint ) const
{
  // Your code here.
  // debug( "unimplemented unwrap( {}, {} ) called", zero_point.raw_value_, checkpoint );
  auto check_seq = wrap( checkpoint, zero_point).raw_value_;

  static constexpr uint64_t _2pow32 = static_cast<uint64_t> (1) << 32;

  
  uint64_t df1 = static_cast<uint64_t>( raw_value_ ) + _2pow32 - check_seq;
  if ( df1 >= _2pow32)
    df1 -= _2pow32;
  auto df2 = _2pow32 - df1;

  if ( df2 < df1 && checkpoint >= df2)
    return checkpoint - df2;
  else
    return checkpoint + df1;

}

2.2 实现tcp_receiver

实现这个tcp_receiver倒是没有实现序列号花的时间多。

状态管理也没有用状态机的那一套，用if-else过完样例。。。

主要遇到问题是，由于SYN它是需要占据一个序列号, 也就是ISN，而

之后数据中的zero_point应该是ISN + 1了。还有些小问题后面遇到测试

样例排查一下也能过。

最终还是看代码吧！

#include "tcp_receiver.hh"
#include "debug.hh"

using namespace std;

void TCPReceiver::receive( TCPSenderMessage message )
{
  // Your code here.
  // debug( "unimplemented receive() called" );
  // (void)message;

  if ( message.RST ) {
    this->reassembler_.reader().set_error();
    return ;
  }

  if ( message.SYN  && (not is_con)) {
    ISN = message.seqno ;
    is_con = true;
  }

  if ( is_con ) {
    Wrap32 cur{message.seqno};
    if (message.SYN)
      cur = cur + 1;
    
    uint64_t first_idx_ = cur.unwrap( ISN.value() + 1 , this->reassembler_.get_first_unassembler_idx());

   debug("payload: {}, size: {}, FIN: {}", message.payload, message.payload.size(), message.FIN ? "true": "false");
   this->reassembler_.insert( first_idx_, message.payload, message.FIN);
  }
   // first_idx
}

TCPReceiverMessage TCPReceiver::send() const
{
  // Your code here.
  // debug( "unimplemented send() called" );
  // return {};
  

  TCPReceiverMessage msg{};

  if ( is_con ) {
    auto ackno = reassembler_.get_first_unassembler_idx();
    if (reassembler_.writer().is_closed())
      ackno++;

    msg.ackno = Wrap32::wrap(  ackno, ISN.value() + 1);
  }

  auto wnd_sz = reassembler_.writer().available_capacity() ;
  msg.window_size = wnd_sz > UINT16_MAX ? UINT16_MAX : wnd_sz ;
  msg.RST = reassembler_.writer().has_error();
  
  return msg;
}

3. 遇到的问题

• 序列号转绝对序列号
• FIN SYN需要占据一个序列号空间，这影响到了unwrap中的zero_point，同时在最后关闭时，ackno也需要多加1
• bytestream中的available_capacity是uint64_t， 而序列号空间最大UINT16_MAX，需要进行限制
• RST标志位，需要根据RST来设置bytestream.set_error()