可靠数据传输协议-GBN 协议的设计与实现

可靠数据传输协议-GBN 协议的设计与实现

首先最重要的代码：github地址

一、 实验目的

理解滑动窗口协议的基本原理；掌握 GBN 的工作原理；掌握基于 UDP 设计并实现一个 GBN 协议的过程与技术。

二、 实验内容

实现了GBN协议，模拟丢包，并支持双向传输，并改进为了SR协议

1. 基于UDP设计一个简单的GBN协议，实现单向可靠数据传输（服务器到客户的数据传输）。
2. 模拟引入数据包的丢失，验证所设计协议的有效性。
3. 改进所设计的 GBN 协议，支持双向数据传输；（选作内容，加分 项目，可以当堂完成或课下完成）
   4）将所设计的 GBN 协议改进为 SR 协议。（ 选作内容，加分项目， 可以当堂完成或课下完成）

三、实验过程及结果

1. 流程：首先client端将需要发送的文件解析成byte数组，调用send发送server端使用receive接收，当数据传输结束后server端利用在之前receive获取的port和address使用重载的send方法返回数据，client直接调用receive即可。
   其中定时器采用多线程，没发送一个都启用一个定时间线程，并将发送的socket，packet，序列号等传入，启动线程即使其sleep，当超多时间后判断是否接收到ack，没有则重传并再次启动定时器。
   对ack的接收也使用多线程处理，使其发送的同时可以接收。
   需要注意的是由于多个线程都用到了ackMap(记录接收ack状况的map)所以需要使用线程安全的ConcurrentHashMap
2. 数据分组格式
   
   Length：数据长度，2字节，<=1024；
   Seq：序列号，1字节，0 ~ 255；
   Data：数据，最大1024自己；
   End：结尾标志，1字节，0表示结尾，1表示非结尾
3. 确认分组格式
   
   Seq：序列号，1字节，0 ~ 255；
   End：结尾标志，1字节，0表示结尾，1表示非结尾
4. 协议两端程序流程图
   
5. 协议典型交互过程
   发送方的事件与动作：
   • 从上层收到数据。当从上层接收到数据后，SR 发送方检查下一个可用于该分组的序号。如果序号位于发送方的窗口内，则将数据打包并发送；否则就像在 GBN 中一样，要么将数据缓存，要么将其返回给上层以便以后传输。
   • 超时。定时器再次被用来防止丢失分组。然而，现在每个分组必须拥有其自己的逻辑定时器，因为超时发生后只能发送一个分组。
   • 收到ACK。如果收到 ACK，倘若该分组序号在窗口内，则 SR 发送方将那个被确认的分组标记为已接收。若该分组的序号等于 send_base，则窗口基序号向前移动到具有最小序号的未确认分组处。如果窗口移动了并且有序号落在窗口内的未发送分组，则发送这些分组。
   接收方的事件与动作：
   • 序号在 [rcv_base, rcv_base+N-1] 内的分组被正确接收。在此情况下，收到的分组落在接收方的窗口内，一个选择 ACK 被回送给发送方。如果该分组以前没收到过，则缓存该分组。如果该分组的序号等于接收端的基序号（rcv_base），则该分组以及以前缓存的序号连续的（起始于 rcv_base 的）分组交付给上层。然后，接收窗口按向前移动分组的编号向上交付这些分组。
   • 序号在 [rcv_base-N, rcv_base-1] 内的分组被正确收到。在此情况下，必须产生一个 ACK，即使该分组是接收方以前确认过的分组。
   • 其他情况。忽略该分组。
6. 数据分组丢失验证模拟方法
   设置数据包丢失率和ACK丢失率，使用Math.random生成0到1的随机数，只有当生成的随机数大于丢失率时才发送数据或ACK
   private static double sendLoss = 0.1;
   private static double recvLoss = 0.05;
7. 程序实现的主要类（或函数）及其主要作用
   1)Server：服务器端，首先接收客户端发送的数据，之后发送数据给客户端
   2)Client：客户端，首先发送数据给服务器端，然后接收服务器返回的数据
   3)RecvAck：接收ack，继承自thread，参数为ackMap，datagramSocket。使用新的线程接收ack，注意要设置阻塞时间，否则接收完成后会阻塞住，ackMap的size为0并且收到ack的end为0时代表接收完成。注意当倒数几个有重发时，虽然接到了end是0但不是终止，所以要两个条件一起判断。
   4)TimeOut：定时器类，继承自thread，参数有datagramSocket，datagramPacket，sequence。每发送一个数据则启动一个定时器，睡眠100ms，之后判断是否接受到ack，没接受到则重传，并重新启动定时器
   5)PublicMethod：一些公共的方法，因为实现了双向数据传输，客户端与服务器端逻辑基本相同，都放在了公共方法里，其也是程序的重点，重要代码处理逻辑都在其中。
   a)ByteArrayOutputStream getByteArray(File file) ：将要传输的文件转化成ByteArrayOutputStream方便以后传输时转化成数组处理
   通过FileInputStream读入文件并将其写入ByteArrayOutputStream
   b)void send(DatagramSocket socket, byte[] sendBytes, InetAddress address, int targetPort)：client端发送函数，参数为UDP的socket，要传输的数据，目的地址，目的端口号。
   使用ackMap记录已经发送的分租收到ack的情况，创建RecvAck对象并start启动接收ack线程，注意必须使用线程安全的ConcurrentHashMap（开始没有发现，经常出现null，debug巨久），当其收到连续的ack时滑动窗口到第一个未收到ack的位置。可以发送的窗口大小为窗口大小减去ackMap的大小，接下来开始发送数据，按上面的数据格式创建报文，并发送，序列号最大为255，注意要循环序列号，之后发送报文并启动定时器线程，将socket和ackMap，packet，sequence传送给定时器并启动。当全部发送且ackMap里面没有数据时终止。
   c) byte[] receive(DatagramSocket socket)：接受函数，参数为接受的socket，以byte数组返回接收到的数据。
   使用ByteArrayOutputStream存放接收到的数据，通过datagramSocket的receive接受数据，并获取其中的长度，序列号，是否结束。注意要判断收到序列号所在的位置，由于序列号是循环的，[rcv_base, rcv_base+N-1]和[rcv_base-N, rcv_base-1]的大小可能不同要进行分析。第二种情况发送只ack即可，第一种如果收到和base相同的则滑动接受窗口，不连续则缓存都要发送ack。都不满足则无需处理。当接接收超时时证明接收完成退出循环。（因为发送的ack可能没有到达所以不好用是否接收到全部数据判断，否则对面可能未接到ack而server已关闭不发送ack使对面陷入无限重传）
   d) void send(DatagramSocket socket, byte[] sendBytes)：server端的发送函数，参数只有socket和数据，实际为客户端socket的重载，其中目的地址和目的端口号有receive函数中解析出来，由于server端先接受，首先调用receive方法时即可获取targetPort和address。
   处理逻辑与client的send相同
   e) void recvByteMethod(FileOutputStream fileOutputStream, DatagramSocket socket)：接受数据函数，使用wile(true)循环使得可以一直处于接受状态，否则必须在server开始后再启动client也可以防止server端回传数据时client已关闭的问题。