基于UDP服务实现可靠传输
基于UDP服务实现可靠传输原理+C++实现
文章目录
- 基于UDP服务实现可靠传输原理+C++实现
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- 0 作业要求
- 1 实现思路
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- 1.1 TCP实现可靠传输的机制
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- 1.1.1 报文分析
- 1.1.2 连接管理
- 1.1.3 确认应答
- 1.1.4 超时重传
- 1.1.5 滑动窗口
- 1.1.6 GBN＆SR
- 1.1.7 拥塞控制
- 1.1.8 累积确认
- 1.1.9 差错检测
- 1.2 基于UDP服务实现可靠传输协议设计
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- 1.2.1 对UDP报文进行封装
- 1.2.2 面向连接
- 1.2.3 确认应答
- 1.2.4 滑动窗口
- 1.2.5 超时重传
- 1.2.6 差错检测
- 1.2.7 拥塞控制
- 2、C++实现（关键代码）
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- 2.1数据包格式
- 2.2 socket基本函数
- 2.3 建立连接
- 2.4 超时重传
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- 2.4.1GBN
- 2.4.2 SR
- 2.5快速重传
- 2.6差错检测
- 2.7 拥塞控制
- 3性能对比
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- 3.1停等机制与滑动窗口机制性能对比
- 3.2滑动窗口机制中不同窗口大小对性能的影响；
- 3.3有拥塞控制和无拥塞控制的性能比较
- 4测试
0 作业要求
任务3-1：利用数据报套接字在用户空间实现面向连接的可靠数据传输，功能包括：建立连接、差错检测、确认重传。流量控制采用停等机制，完成给定测试文件的传输。
任务3-2：在任务3-1的基础上，将停等机制改成基于滑动窗口的流量控制机制，采用固定窗口大小，支持累积确认，完成给定测试文件的传输。
任务3-3：在任务3-2的基础上，选择实现一种拥塞控制算法，也可以是改进的算法，完成给定测试文件的传输。
任务3-4：基于给定的实验测试环境，通过改变延迟时间和丢包率，完成下面3组性能对比实验：（1）停等机制与滑动窗口机制性能对比；（2）滑动窗口机制中不同窗口大小对性能的影响；（3）有拥塞控制和无拥塞控制的性能比较。
实验要求：
(1) 实现单向传输。
(2) 对于每一个任务要求给出详细的协议设计。
(3) 给出实现的拥塞控制算法的原理说明。
(4) 完成给定测试文件的传输，显示传输时间和平均吞吐率。
(5) 性能测试指标包括吞吐率和时延，给出图形结果并进行分析。
(6) 完成详细的实验报告（每个任务完成一份）。
(7) 编写的程序应结构清晰，具有较好的可读性。
(8) 提交程序源码和实验报告。
1 实现思路
参考TCP在不可靠的网络层服务之上实现可靠传输的各种机制，在应用层添加这些机制，以实现在传输层中不可靠的UDP服务之上提供可靠传输
1.1 TCP实现可靠传输的机制
1.1.1 报文分析
源端口（Source Port）：长度为16 bits（2个字节）。源端口。
目的端口（Destination Port）：长度为16 bits（2个字节）。目的端口。
序列号（Sequence Number）：长度为32 bits（4个字节）。指定了当前数据分片中分配给第一字节数据的序列号。在TCP传输流中每一个字节为一个序号。如果TCP报文中flags标志位为SYN，该序列号表示初始化序列号(ISN)，此时第一个数据应该是从序列号ISN+1开始。
确认序列号（Acknowledgment Number）：长度为32bits（4个字节）。表示TCP发送者期望接受下一个数据分片的序列号。该序号在TCP分片中Flags标志位为ACK时生效。序列号分片的方向和流的方向同方向，而确认序列号分片方向和流方向反方向。
数据偏移或首部长度（Data Offset/Header Length）: 长度为4bits。数据偏移也叫首部长度。因为首部长度实际也说明了数据区在分片中的起始偏移值。它表示TCP头包含了多少个32-bit的words。因为4bits在十进制中能表示的最大值为15，32bits表示4个字节，那么Data Offset的最大可表示15*4=60个字节。所以TCP报头长度最大为60字节。如果options fields为0的话，报文头长度为20个字节。
预留字段（Reserved field）：长度为6bits。值全为零。预留给以后使用。
标志位(Flags): 长度为6bits。表示TCP包特定的连接状态。一个标签位占一个bit，从低位到高位值依次为FIN,SYN,RST,PSH,ACK,URG。新定义的TCP头还扩展了ECE,CWR,NS.
窗口（Window）：长度16bits（2个字节）。表示滑动窗口的大小，用来告诉发送端接收端的buffer space的大小。接收端buffer大小用来控制发送端的发送数据数率，从而达到流量控制。最大值为65535.
校验和（Checksum）：长度16bits（2个字节）。用来检查TCP头在传输中是否被修改。
紧急指针（Urgent pointer）：长度为16bits（2个字节）。表示TCP片中第一个紧急数据字节的指针。只有当URG标志置1时紧急指针才有效。
选项和填充（Option和pading）：可变长度。表示TCP可选选项以及填充位。当选项不足32bits时，填充字段加入额外的0填充。
数据（Data）：长度可变。用来存储上层协议的数据信息。可以为空。比如在连接建立和连接中止时。
接下来具体分析TCP是如何依靠上述TCP报文实现可靠传输的：
TCP为每个客户数据配上一个TCP首部，从而形成多个TCP报文段，这些报文段被下传给网络层，网络层将其分别封装在网络层IP数据报中，然后这些IP数据包被发送到网络中，当TCP在另一端收到一个报文段后，该报文段的数据就被放入该TCP连接的接收缓存中，应用程序从此缓存中读取数据流。
1.1.2 连接管理
TCP通过三次握手建立连接
第一次握手
客户端将TCP报文标志位SYN置为1，随机产生一个序号值seq=J，保存在TCP首部的序列号(Sequence Number)字段里，指明客户端打算连接的服务器的端口，并将该数据包发送给服务器端，发送完毕后，客户端进入SYN_SENT状态，等待服务器端确认。
第二次握手
服务器端收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求建立连接，服务器端将TCP报文标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个序号值seq=K，并将该数据包发送给客户端以确认连接请求，服务器端进入SYN_RCVD状态。
第三次握手
客户端收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给服务器端，服务器端检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，客户端和服务器端进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后客户端与服务器端之间可以开始传输数据了。
1.1.3 确认应答
TCP将数据看成是一个无结构的、有序的字节流。
传送的字节流之上，一个报文段的序号是该报文段首字节的字节流编号。
TCP发送报文时，会携带Seq，接收到该报文段的另一端发送确认报文回去，报文中包含确认号（ack=seq+1），为期待接收的下一字节的序号
1.1.4 超时重传
TCP发送一个报文时，会启动一个计时器，当超出某一时间还未收到该报文的应答时，TCP认为该报文丢失（当然也不一定是该报文丢失，也可能是确认报文丢失，或者是由于网络状况该确认报文还未传输过来），并重传该报文。
1.1.5 滑动窗口
为了提高性能，TCP中还引入了流水线机制，TCP发送端可以一次性发送多个报文段，滑动窗口用于描述接收方的TCP数据报缓冲区大小的数据，发送方根据这个数据来计算自己最多能发送多长的数据，如果发送方收到接收方的窗口大小为0的TCP数据报，那么发送方将停止发送数据，等到接收方发送窗口大小不为0的数据报的到来。这也是TCP实现流量控制的机制。
1.1.6 GBN＆SR
**GBN（Go back N）**回退N
采用累积确认的方式，接收方只确认连续接收分组的最大序列号，其余的全部丢弃。
发送端设置定时器，定时器超时时，重传所有未确认的分组
**SR（Selective Repeat ）**选择重传
发送端
• 接收上层数据：如果发送窗口中有可用的序号，则发送分组
• 超时(n)：重传分组n，重启定时器
• 接收ACK(n)：n在[send_base, send_base+N-1]区间，将分组n标记为已接 收，如果是窗口中最小的未确认的分组，则窗口向前滑动，基序号为下 一个未确认分组的序号
接收端
接收分组n：
• n在[rcv_base, rcv_base+N-1]区间，发送ACK(n)，缓存失序分组，按序到 达的分组交付给上层，窗口向前滑动
• n在[rcv_base-N, rcv_base-1]区间，发送ACK(n)
1.1.7 拥塞控制
拥塞控制的几种算法：
慢开始( slow-start )、拥塞避免( congestion avoidance )、快重传( fast retransmit )和快恢复( fast recovery )
发送方维持一个拥塞窗口 cwnd ( congestion window )的状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度&#x