spring 2023 cs144 lab0-lab6实现

lab0

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• lab0实验手册

implementation

Set up GNU/Linux on your computer

简单地安装CS144 VirtualBox和c++环境，以方便后续地测试。

Networking by hand

接下来就是使用简单地telnet来构造HTTP请求和SMTP请求，并得到对应的响应。
（亲手写出一部分报文

Listening and connecting

通过netcat建立一个全双工通信的服务端，感受netcat的使用。
（类似于即时通讯服务

Writing a network program

by using an OS stream socket

part 1

lab0的最后一项任务就是使用原生的tcp socket来编写http报文结构，从而在socket的基础上发起一次http请求
详见lab0/minow/apps/webget.cc代码实现。

part2

part2实现可靠字节流，使用一个普通string来存储字节流

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lab1

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• lab1实验手册
• 博客

implementation

在tcp/ip协议栈中，数据传输的可靠性不是网络来承担的，而是交由端系统来承担的。网络中的有序字节流从一端发送到另一端，跨越了诸多网络的路由器
，期间难免出现字节流传输的乱序、重复、重叠等。而lab1就是需要在这样不可靠字节流中去建立可靠的字节流。

具体实现

这里参考了上面的博客

lab2

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• lab2实验手册

implementation

wrap与unwrap

• wrap是将absolute seqno转化为seqno
  
  由于absolute seqno是非循环序号，seqno是循环序号，所以需要取模转化。（当然也可以直接截断。

• unwrap是将seqno转化为absolute seqno
  

  checkpoint其实就是first_unassembled_index

  这里的处理比较麻烦。我最开始的想法是，循环找出最小的checkpoint - (seqno+x * 2^32)，也就是离得最近的x。
  但是复杂度比较高，看了大佬的博客，利用位运算，可以将O(x)的时间复杂度降低为O(1).
  
  官方让我们找到离checkpoint最近的absolute seqno，因为给出seqno，会有多个absolute seqno与之对应，

TCP Receiver

参考上面seqno、absolute seqno与stream index的对应关系图

• receive时，直接在reassembler中插入absolute seqno，显然不是期待的stream_index；
• send时，需要考虑到available_capacity不能超过UINT_MAX以及close时，发送的fin报文也要占据一个序号

lab3

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• lab3实验手册
• 博客

implementation

这里参考了博客实现

• 实现ARQ重传机制

lab4

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• lab4实验手册
• 博客

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Lab4 要求实现网络接口部分， 打通网络数据报 （Internet datagrams） 和链路层的以太网帧（link-layer Ethernet frames）
之间的桥梁。

也就是，实现ip数据报转化为mac帧。ip数据报在转化为mac帧时，最重要的就是要知道目的mac地址，而mac地址我们可以通过arp协议来学习到。
所以，这里就牵扯到了arp协议的实现：

• 目的ip地址与mac地址的缓存映射。最多保存30s；
• 端系统可以组装ip报文和arp请求与响应报文，也能解析之；
• 不论是arp请求还是arp响应，端系统拿到过后都可以学习到对等端的ip的其mac地址的映射关系
• 而且，我们并不能任性发送arp请求，我们只能等待相同的arp请求发出去5秒后没有收到arp响应才再次发送，这是为了防止频繁地arp广播导致链路阻塞
• 端系统在接收报文时，收到ip数据报自然不用说，该怎么处理就怎么处理，但是收到arp报文时，需要进一步处理：
  • 如果是arp请求报文
    那么我们在校验合法性通过后，还需要学习arp请求的来源ip地址和来源mac地址的映射关系，并且构造arp响应，返回自己的ip与mac地址的映射关系，以供arp请求方学习
  • 如果是arp响应报文
    那么我们在校验合法性通过后，再从arp响应报文中学习到目的ip地址和目的mac地址的映射关系。除了mac地址学习外，我们还需要将arp请求等待列表清空
• 总之，我们通过arp协议拿到了目的mac地址过后，剩下的事情就非常简单了（将ip数据报组装成mac帧，以方便发送到数据链路上

实验手册给的实现已经很详细了，翻译成代码即可。

lab5

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• lab5实验手册
• 博客

implementation

lab5的要求是在lab4实现的网络接口上，实现ip router.路由器有多个网络接口，可以在其中任何一个接口上接收 Internet 数据报。
路由器的工作是根据路由表转发它获得的数据报：路由表是一个规则列表，告诉路由器对于任何给定的数据报:

• 在哪个network interface发出去
• 确定next hop

实验手册的Q & A中对route table的数据结构要求很低，允许实现O(N)时间复杂度。所以，这里直接使用std:list。

lab5的要求其实很简单了。我们只需要实现路由最长前缀匹配即可，并不需要实现动态路由的一些协议（RIP、OSPF、BGP 或 SDN 控制器）
当然除了这些，我们还需要注意：

• 每次路由转发ip数据报时，ttl需要减一，直至ttl等于0时，路由器会自动丢弃它
• 如果路由表里没有找到next hop，也会丢弃ip数据报
• 如果路由的数据报缓存已满，也会丢弃掉（lab5里并没有说

lab6

no code

使用以前的所有实现的lab来创建一个真实的网络，其中包括网络堆栈（主机和路由器），与另一台主机上实现的网络堆栈进行通信。

how to do

• lab5实验手册