【斯坦福计网CS144项目】Lab4: TCPConnection

在实现了接收端的 TCPReceiver 类和发送端的 TCPSender 类后，本节实验实现掌管这两个类，向用户提供一个完整的 TCP 连接抽象的 TCPConnection 类。正如讲义标题所写，完成本节的实验后，我们是真正攀登上了一个高峰（summit），也是完成了本门课程最重要精华的部分。

事前提醒，本节的测试量非常大，其中会用你的 TCP 实现与 Linux 的 TCP 实现进行各种条件的交互，之前的 Sender 和 Receiver 类在实现上如果有潜在问题也都会被暴露出来。所以，如果你在尝试自己实现，请做好耐心 Debug 的准备。虽然直接看其它人的 blog 可能感觉逻辑都很自然，但自己动手是完全不一样的。我当时也花了 2 整天左右才通过了所有测试。

TCP 是全双工通信，即双方可以同时发送/接收信息。如图所示，TCPConnection 类应该是架设在 TCPSender 和 TCPReceiver 之上的。当 Sender 需要发送数据包时，从其发送队列 _segments_out 中取出数据包并实际发送出去；当接收到数据包时，做必要处理后交给 Receiver 处理。另外，之前我们一直没有关注 TCP 包头中很重要的一个标识 RST，这也是 TCPConnection 要负责的，即异常状态的处理。最后，TCPConnection 还应该处理好连接的终止，包括正常终止和异常终止两种情况。以下我们分别来讨论这几个问题以及实现思路。

注：这里发送的实现其实还是将数据包从 Sender 取出转存到 TCPConnection 的一个发送队列中，之后会由更上层的所有者实际负责发送

接收数据包

对应函数：void segment_received(const TCPSegment &seg)。

• 如果 RST 标识存在，立刻将出入向的数据流均设置为错误状态，并结束连接。可以将结束连接提炼为一个 _shutdown(bool) 函数，参数代表是正常还是异常结束，这里即为异常结束。否则：
• 将数据包交给 Receiver 处理，即调用 Receiver 的 segment_received。
• 如果 ACK 标识存在，通知 Sender 其关注的信息（ackno 和 window size），即调用 Sender 的 ack_received。
• 如果数据包有序列号，至少保证有一个回复数据包被回复，即应该检查 Sender 的发送队列是否为空，如果为空则造一个空包。
• “keep-alive” 包的回复：对方可能发送一个包含无效序列号的数据包以探测连接是否仍有效，此时应回复一个空包。实现方法讲义已给出。

发送数据包

• Sender 构造的待发送包还不完整，ackno 和 window size 信息应该由 Receiver 给出（如果存在 ackno，还要设置 ACK 标识）。
• 任何时刻 Sender 向发送队列中 push 了一个包，TCPConnection 都应该立刻将其发送。因此，TCPConnection 应该实现一个清空 Sender 队列，填充 Receiver 信息并发送的函数（我的实现中命名为 _clear_sendbuf），在任何可能使 Sender 发送数据包的语句之后都调用该函数。

时间的感知

与 Sender 相同，TCPConnection 也是通过其 tick 函数被调用而被动的感知时间的经过。当 tick 被调用时：

• 使 Sender tick。
• 如果 Sender 的重传次数超过某阈值，终止连接并发送一个带 RST 标识的空包。终止连接与上面收到对方 RST 包的处理一样，即调用 _shutdown(false)。
• 如果时机合适，正常结束连接（见下一节）。

连接的终止

以上已经讨论过连接异常终止的两种情况，即主动检测到重传次数过多或被动收到对方的 RST 包，这里主要讨论的是连接的正常终止。

理论上来说，通过不可信连接通信的双方无法绝对确保达成共识（参考：两军问题），不过 TCP 设计了一种可信度较高的方案。以一方（local 方）的观点来看，至少有四件事成立才能正常终止连接：

• 入向流（inbound）的数据已经完全接收重组完毕并结束。
• 出向流（outbound）的数据已经完全发送并且带 FIN 标识的包也已被发送。
• 出向流被对方完全确认接收。
• local 方相信 remote 方能够满足第三条。这是最难解决的，因为 TCP 不会对 ack 信息做 ack，否则就没有尽头了。于是有两种选项：
  • 延迟关闭（lingering）。当前三条都成立且经过了一定时间后 local 方都没有收到 remote 方重传任何数据，则 local 方能够比较确信双方的所有数据已经正确传输完毕并关闭连接。具体来说，这个时间设置为初始重传超时的 10 倍。
  • 被动关闭。如果入向流的结束早于出向流含 FIN 标识包的发送，则 local 方在出向流也结束后立刻关闭连接。其中的原因讲义中给出了解释，这里就不展开了。

测试

除了运行自动化测试外，本节完成后已经可以用两个自己的 TCP 端进行通信，以及用自己的 TCP 代替 Lab0 中的 TCPSocket 与真实的服务器进行通信，还可以测试自己 TCP 实现的性能，操作方法讲义中都有描述。

完整代码链接：
tcp_connection.hh
tcp_connection.cc

通关截图 😎