CS144 TCP Receiver & Sender 实现笔记

这是我做CS144的TCP实现部分的一些记录，主要是为了以后复习的时候能快速回忆起当时的思路。

StreamReassembler 实现

在搞TCP Receiver之前得先把StreamReassembler搞定，这个东西就是用来把乱序的数据包重新排好序的。

我的实现思路

我用了一个set来存放所有的segment，按照起始位置排序。最关键的是要保证一个规律：set里面的所有segment都不能重叠。

每次来新的segment的时候：

  1. 先找出所有和它重叠的segment
  2. 把这些重叠的都删掉
  3. 然后把它们全部合并成一个大的segment
  4. 再把这个合并后的segment放回set

这样搞的好处是，后面往ByteStream里写数据的时候就很简单了，直接从头开始写，碰到第一个不连续的地方就停。

TCP通信流程

TCP就是靠两对(Receiver, Sender)来搞双向通信的：

发送端：Sender.send() → 网络 → Receiver.receive()
接收端：Receiver.send() → 网络 → Sender.receive()

接收端要通过ACK告诉发送端：

  • 下一个想要的序列号是啥
  • 我的窗口还有多大
  • 有没有出错

Wrap32 这个坑

这个Wrap32是个很坑的东西。当年TCP设计的时候网络没这么快，32位够用了。但现在32位会循环，所以一个Wrap32可能对应好几个真实的64位index。

包装很简单：(真实index + ISN) % (1<<32)

解包装就麻烦了，得结合ISN和最近的已知index来推断。

有个细节要注意：发送端的起始index = 接收端index - 1，因为发送端要给SYN占一个位置。

TCP Receiver 实现

receive方法

主要处理流程：

  1. 先看看有没有RST标志，有的话直接报错
  2. 看看有没有SYN标志，有的话就设置ISN
  3. 如果ISN已经设置了，就把序列号解包装，然后丢给reassembler处理

send方法

这个简单，就是发个ACK，告诉对方下一个要的序列号和窗口大小。

TCP Sender 实现

这个是最复杂的部分，要处理分段、超时、重传什么的。

主要数据结构

  • 发送缓冲区：存要发送的数据
  • 未确认队列：跟踪已发送但还没收到ACK的segment
  • 重传定时器：处理超时重传

push方法

就是把ByteStream里的数据按照窗口大小和MAX_PAYLOAD_SIZE分段发送。要注意的是：

  • 先算出能发送的最大字节数（窗口大小和MAX_PAYLOAD_SIZE的最小值）
  • 从ByteStream读数据
  • 如果数据读完了并且还有空间，就带上FIN标志
  • 发送完如果定时器没开就开启定时器

receive方法

处理收到的ACK：

  • 更新窗口大小
  • 把已确认的segment从未确认队列里删掉
  • 如果有新数据被确认，就重启定时器并重置RTO

tick方法

处理超时重传：

  • 如果超时了并且有未确认的segment，就重传最早的那个
  • 如果窗口大小大于0，RTO要翻倍（指数退避）
  • 如果窗口为0，RTO不翻倍（这是零窗口探测）

一些踩坑的地方

零窗口探测

当接收方窗口为0时，发送方要定期发探测包，但这时候不能执行指数退避，不然探测频率会越来越低。

重传策略

有两种重传：

  • 超时重传：RTO到期触发
  • 快速重传：收到重复ACK触发

流量控制

一定要严格按照接收方的窗口大小来发送，不能发多了。

总结

TCP实现最麻烦的就是各种边界情况的处理。不过只要数据结构设计得合理，状态管理清楚，问题就不大。

主要要注意的几个点：

  • StreamReassembler的segment合并算法
  • Wrap32的包装和解包装
  • Sender的超时重传机制
  • 各种TCP标志位的正确处理

写完之后感觉对TCP的理解深了不少，特别是对那些平时看书觉得很抽象的概念有了更直观的认识。