CS 144: Introduction to Computer Networking, Fall 2020
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任务

本节实现 TCPConnection 类,实例化这个类将作为一个完整的 TCP 连接中的一个 peer(可以充当任意一方,Server 或 Client)。前面两个实验分别实现的 TCPSender 和 TCPReceiver 并不能作为一个独立的 Server 或 Client,这两个类的实例是用作 TCPConnection 实例的内部成员,即下图。

ygfFsI.png

Sender 和 Receiver 的作用

  • 收到报文段时

    • 通知 _receiver:根据报文段的 seqno、SYN、FIN 和 payload,以及当前状态,更新 ackno;收集数据
    • 通知 \_sender:根据报文段的 ackno 以及当前状态,更新 next_seqno;更新 window_size
  • 发送报文段时

    • \_sender 负责填充 payload、seqno、SYN、FIN,注意有可能既没有 payload 也没有 S、F 标识(empty segment),这和 Lab3 实现的 \_sender 的 ack_received() 逻辑不同
    • \_receiver 负责填充 ackno、window size

FSM

结合 Lab2、Lab3 讲义中的 TCPSender 和 TCPReceiver 的状态转换图,tcp_state.cc 中 TCPConnection 的各状态与 sender、receiver 状态的对应关系,以及下面的 TCPConnection 的状态转换图,理解整个 TCP 连接。

yg5iQJ.jpg

Edge case

在实现过程中,需要额外关注收到报文段时 TCPSender 和 TCPConnection 的逻辑的不同之处。这些细节来源于

  1. Lab2 中的 receiver 只关心收到数据和数据有关的标识;Lab3 中 sender 只关心收到的 ackno 和 win,不处理也不知道收到的数据和其他信息,在 \_stream_in() 没有数据时可能不会做任何动作(我的 Lab3 实现是这样的),而在 Lab4 中可能还需要发一个空的 ACK 报文段
  2. 连接建立和释放过程中的各种特殊情况

    1. 发完 SYN 后马上收到 RST
    2. 发完 SYN 后马上收到 FIN
    3. Simultaneous open
    4. Simultaneous shutdown
    5. ...

实验给出的测试套非常完备,覆盖了各种特殊情况,Simultaneous open 和 Simultaneous shutdown 的情况见下图。按照讲义所说,如果你的 Lab2 和 Lab3 实现非常 robust,Lab4 的大部分工作是 wire up 前面两个类的接口,但也有可能你需要修改前两个实验的实现。

下图出处:TCP State Transitions

yg7ih6.jpgyg7A1O.jpg

实现

我的实验四的函数框架参考了 这篇博客,但实现不同。我在网上浏览过的几个实现,均改动了 Lab2、Lab3 的函数签名,让 Lab2、Lab3 的实现变得不太干净。我的最终实现没有入侵 Lab3 和 Lab2 的代码,细节逻辑全部在 TCPConnection 类中完成。

注意如果 tests 文件夹中的测试全部通过但是 txrx.sh 中的测试不通过,并且不通过的原因是结果的哈希值不同,去掉所有的自己添加的打印语句,再进行测试。

实验四刚开始时一度想要放弃,但最终花费的时间居然比实验三要少(实验三零零碎碎花了六天左右,实验四大概花费了集中的两天半时间)。通过全部测试的时候,还感觉有点懵逼,怎么就通过了,我真的把细节都处理完了?第一次意识到,复杂的项目中,完备的测试比“充满自信”的实现代码可靠多了,也不得不感慨课程质量之高以及讲师和助教付出的心血。

y2kzRO.png

代码

添加的成员变量

class TCPConnection {
  private:
    size_t _time_since_last_segment_received{0};
    bool _active{true};

    void send_sender_segments();
    void clean_shutdown();
    void unclean_shutdown();

实现代码

#include "tcp_connection.hh"

#include <iostream>

using namespace std;

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; }

bool TCPConnection::active() const { return _active; }

void TCPConnection::segment_received(const TCPSegment &seg) {
    if (!_active)
        return;
    _time_since_last_segment_received = 0;
    // State: closed
    if (!_receiver.ackno().has_value() && _sender.next_seqno_absolute() == 0) {
        if (!seg.header().syn)
            return;
        _receiver.segment_received(seg);
        connect();
        return;
    }
    // State: syn sent
    if (_sender.next_seqno_absolute() > 0 && _sender.bytes_in_flight() == _sender.next_seqno_absolute() &&
        !_receiver.ackno().has_value()) {
        if (seg.payload().size())
            return;
        if (!seg.header().ack) {
            if (seg.header().syn) {
                // simultaneous open
                _receiver.segment_received(seg);
                _sender.send_empty_segment();
            }
            return;
        }
        if (seg.header().rst) {
            _receiver.stream_out().set_error();
            _sender.stream_in().set_error();
            _active = false;
            return;
        }
    }
    _receiver.segment_received(seg);
    _sender.ack_received(seg.header().ackno, seg.header().win);
    // Lab3 behavior: fill_window() will directly return without sending any segment.
    // See tcp_sender.cc line 42
    if (_sender.stream_in().buffer_empty() && seg.length_in_sequence_space())
        _sender.send_empty_segment();
    if (seg.header().rst) {
        _sender.send_empty_segment();
        unclean_shutdown();
        return;
    }
    send_sender_segments();
}

size_t TCPConnection::write(const string &data) {
    if (!data.size())
        return 0;
    size_t write_size = _sender.stream_in().write(data);
    _sender.fill_window();
    send_sender_segments();
    return write_size;
}

//! \param[in] ms_since_last_tick number of milliseconds since the last call to this method
void TCPConnection::tick(const size_t ms_since_last_tick) {
    if (!_active)
        return;
    _time_since_last_segment_received += ms_since_last_tick;
    _sender.tick(ms_since_last_tick);
    if (_sender.consecutive_retransmissions() > TCPConfig::MAX_RETX_ATTEMPTS)
        unclean_shutdown();
    send_sender_segments();
}

void TCPConnection::end_input_stream() {
    _sender.stream_in().end_input();
    _sender.fill_window();
    send_sender_segments();
}

void TCPConnection::connect() {
    _sender.fill_window();
    send_sender_segments();
}

TCPConnection::~TCPConnection() {
    try {
        if (active()) {
            cerr << "Warning: Unclean shutdown of TCPConnection\n";
            _sender.send_empty_segment();
            unclean_shutdown();
        }
    } catch (const exception &e) {
        std::cerr << "Exception destructing TCP FSM: " << e.what() << std::endl;
    }
}

void TCPConnection::send_sender_segments() {
    TCPSegment seg;
    while (!_sender.segments_out().empty()) {
        seg = _sender.segments_out().front();
        _sender.segments_out().pop();
        if (_receiver.ackno().has_value()) {
            seg.header().ack = true;
            seg.header().ackno = _receiver.ackno().value();
            seg.header().win = _receiver.window_size();
        }
        _segments_out.push(seg);
    }
    clean_shutdown();
}

void TCPConnection::unclean_shutdown() {
    // When this being called, _sender.stream_out() should not be empty.
    _receiver.stream_out().set_error();
    _sender.stream_in().set_error();
    _active = false;
    TCPSegment seg = _sender.segments_out().front();
    _sender.segments_out().pop();
    seg.header().ack = true;
    if (_receiver.ackno().has_value())
        seg.header().ackno = _receiver.ackno().value();
    seg.header().win = _receiver.window_size();
    seg.header().rst = true;
    _segments_out.push(seg);
}

void TCPConnection::clean_shutdown() {
    if (_receiver.stream_out().input_ended()) {
        if (!_sender.stream_in().eof())
            _linger_after_streams_finish = false;
        else if (_sender.bytes_in_flight() == 0) {
            if (!_linger_after_streams_finish || time_since_last_segment_received() >= 10 * _cfg.rt_timeout) {
                _active = false;
            }
        }
    }
}

性能优化

分析

由于没有做过 profiling,性能分析的工作抄了上面提到的博客的作业。

修改 sponge/etc/cflags.cmake 中的编译参数,将-g改为-Og -pg,使生成的程序具有分析程序可用的链接信息。

make -j8
./apps/tcp_benchmark
gprof ./apps/tcp_benchmark > prof.txt

y2nkwQ.png

如讲义中所说,很可能需要改动 ByteStream 或 StreamReassembler。调优方法是利用 buffer.h 中提供的 BufferList。实际上测试代码中就有用到 BufferList,简而言之它是一个 deque\<Buffer\>,而 Buffer 则在整个实现与测试代码中被大量使用,例如 payload() 就是一个 Buffer 实例。

改动

把 ByteStream 类中字节流的容器由 Lab0 最初的 std::list<char> _stream{}; 改为 BufferList _stream{};

byte_stream.cc 改动的函数:

size_t ByteStream::write(const string &data) {
    size_t write_count = data.size();
    if (write_count > _capacity - _buffer_size)
        write_count = _capacity - _buffer_size;
    _stream.append(BufferList(move(string().assign(data.begin(), data.begin() + write_count)))); 
    _buffer_size += write_count;
    _bytes_written += write_count;
    return write_count;
}

//! \param[in] len bytes will be copied from the output side of the buffer
string ByteStream::peek_output(const size_t len) const {
    const size_t peek_length = len > _buffer_size ? _buffer_size : len;
    string str = _stream.concatenate();
    return string().assign(str.begin(), str.begin() + peek_length);
}

//! \param[in] len bytes will be removed from the output side of the buffer
void ByteStream::pop_output(const size_t len) {
    size_t pop_length = len > _buffer_size ? _buffer_size : len;
    _stream.remove_prefix(pop_length);
    _bytes_read += pop_length;
    _buffer_size -= pop_length;
}

改动后的 benchmark

y2KfoQ.png

webget revisited

直接按照讲义中的步骤,把 Linux 自带的 TCPSocket,换成我们自己的实现。

void get_URL(const string &host, const string &path) {
    CS144TCPSocket sock1{};
    sock1.connect(Address(host, "http"));
    sock1.write("GET " + path + " HTTP/1.1\r\n" + "Host: " + host + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n");
    while (!sock1.eof()) {
        cout << sock1.read();
    }
    sock1.shutdown(SHUT_WR);
    sock1.wait_until_closed();
}

替换后 webget 依然 work(不知道为什么 WSL 替换后连接建立不起来,但在云主机上测试后没有问题),至此,手写 TCP 正式完成。


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