2019秋计算机网络实验2 GBN协议的设计与实现（对应实验指导书的实验3）

实验要求

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。

实验内容

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)。
模拟引入数据包的丢失，验证所设计协议的有效性。
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)
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)

本文将全部都做，使用Java编写程序完成上述要求

在开始之前

实验指导书中给出了实验要点，下面先作出一些总结，有利于后续过程：

基于 UDP 实现的 GBN 协议，可以不进行差错检测，可以利用 UDP 协议差错检测;
自行设计数据帧的格式，应至少包含序列号Seq和数据两部分;
自行定义发送端序列号Seq比特数L以及发送窗口大小W，应满足条件 $W+1<= 2^L$
为了模拟ACK丢失，可以利用模N运算，每N次模拟丢包，或者每N次模拟接收。因为只是模拟，这个操作既可以在发送端也可以在接收端，如果在发送端，则少发送数据包，在接收端则不发回ACK。
当设置服务器端发送窗口的大小为1时，GBN协议就是停-等协议。
首先了解Java中建立UDP通信的方法，java.net包中提供了DatagramSocket和DatagramPacket，这二者是UDP通信的工具包，DatagramSocket是UDP通信的socket，而DatagramPacket是数据包。在这个实验中，我用每个数据包模拟为分组。
超时任务的实现参考自CSDN。
分组的规定：发送端末尾加上"Seq = %d"的字符串，接收端返回ACK时，在返回的packet的数据末尾加入字符串"ACK: %d"。

1. 实现GBN协议，进行单向可靠数据传输

1.1. GBN发送端

思考：为了实现GBN协议，每个通信主机需要知道哪些信息：

对于发送端，它需要维护

窗口大小 WINDOW_SIZE
下一个序列号 nextSeq
待发送的分组个数 DATA_NUMBER
超时时间 TIMEOUT

因此根据GBN协议的FSM，可以很清晰的知道思路如下：

设置循环发送分组，判断nextSeq是否在窗口内，如果在就发送到127.0.0.1的预设端口（默认80），一次性发完一整个窗口内的分组并且等待对应序列号的ACK被返回。

// 发送分组循环
while (nextSeq < base + WINDOW_SIZE && nextSeq <= DATA_NUMBER) {
    // 模拟数据丢失暂时省略
    // 模拟发送分组
    String sendData = hostName + ": Sending to port " + destPort + ", Seq = " + nextSeq;
    byte[] data = sendData.getBytes();
    DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(data, data.length, destAddress, destPort);
    sendSocket.send(datagramPacket);

    System.out.println(hostName + "发送到" + destPort + "端口， Seq = " + nextSeq);

    if (nextSeq == base) {
        // 开始计时，等待接收端返回ACK
        timeModel.setTime(TIMEOUT);
    }
    nextSeq++;
    try {
        Thread.sleep(300);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

根据接收端返回的ACK编号调整窗口base的值为ACK+1，如果达到了窗口最大值，关闭计时器，如果还不是，就设置定时器继续等待。

byte[] bytes = new byte[4096];
DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
sendSocket.receive(datagramPacket);

// 转换成String
String fromServer = new String(datagramPacket.getData(), 0, datagramPacket.getLength());
// 解析出ACK编号
int ack = Integer.parseInt(fromServer.substring(fromServer.indexOf("ACK: ") + 5).trim());
base = ack + 1;
if (base == nextSeq) {
    // 停止计时器
    timeModel.setTime(0);
} else {
    // 开始计时器
    timeModel.setTime(TIMEOUT);
}

如果超时，说明发送端没有在限定时间内收到预期ACK，会重新发送这个序列号和其之后的所有分组。

public void timeOut() throws IOException {
    for (int i = base; i < nextSeq; i++) {
        String resendData = hostName
                + ": Resending to port " + destPort + ", Seq = " + i;

        byte[] data = resendData.getBytes();
        DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(data,
                data.length, destAddress, destPort);
        sendSocket.send(datagramPacket);

        System.out.println(hostName
                + "重新发送发送到" + destPort + "端口， Seq = " + i);
    }
}

这样发送端的主体部分就已经实现了，完整代码见最后，下面实现GBN协议的接收端：

1.2. GBN接收端

GBN中接收端存在“期望收到的序列号”，所以只要是收到了预期的序列号分组，就留下这个分组并且预期自增1，然后返回此序列号的ACK；如果不是，直接丢弃并返回上一个序列号的ACK。

if (Integer.parseInt(received.substring(seqIndex + 6).trim()) == expectedSeq) {
    // 收到了预期的数据
    // 发送ACK
    // 模拟丢失ACK暂时省略
    sendACK(expectedSeq, receivePacket.getAddress(), receivePacket.getPort());
    System.out.println(hostName + " 期待的数据Seq = " + expectedSeq);
    // 期待值加1
    expectedSeq++;
} else {
    // 未收到预期的Seq
    System.out.println(hostName + " 期待的数据Seq = " + expectedSeq);
    System.out.println(hostName + " 未收到预期编号");
    // 仍发送之前的ACK
    sendACK(expectedSeq - 1, receivePacket.getAddress(), receivePacket.getPort());
}

发送ACK的IP地址和端口可能不确定，所以需要通过接收的receivePacket.getAddress()和getPort()获得IP地址和端口，这样才能将ACK发回正确的地方。

关于接收端使用的sendACK()方法，稍后会提到，先别关注它的实现，因为十分简短，当前先把思路理清。

1.3. 模拟丢失数据

发送端模拟丢失数据包，利用模N运算不发送特定的数据包达到模拟丢失的目的。将这段代码放在发送循环即将发出之前的位置。
```
// 模拟数据丢失
if (nextSeq % 5 == 0) {
    System.out.println(hostName + "假装丢失Seq = " + nextSeq);
    nextSeq++;
    continue;
}
```

接收端模拟丢失ACK，将这段代码替换发送ACK的地方

if (expectedSeq % 7 != 0) {
    sendACK(expectedSeq, receivePacket.getAddress(), receivePacket.getPort());
} else {
    System.out.println(hostName + " 假装丢失ACK: " + expectedSeq);
}

1.4. 封装一下？

因为后需要实现双向传输以及改造为SR协议，所以不如来封装一下。

写成一个MyHost.java文件，其中管理主机必备操作和数据，大致如下

（下面代码非完整代码）

public abstract class MyHost {

    protected final int WINDOW_SIZE;

    protected final int DATA_NUMBER;

    protected final int TIMEOUT;

    protected String hostName;

    /*下面的是发送数据相关的变量*/

    protected int nextSeq = 1;

    protected int base = 1;

    protected InetAddress destAddress;

    protected int destPort = 80;

    /*接收数据相关*/

    protected int expectedSeq = 1;

    /*Sockets*/

    protected DatagramSocket sendSocket;

    protected DatagramSocket receiveSocket;

    public MyHost(int RECEIVE_PORT, int WINDOW_SIZE,
                  int DATA_NUMBER, int TIMEOUT, String name) throws IOException {
        ...
    }

    ...

    public abstract void sendData() throws IOException;

    public abstract void timeOut() throws IOException;

    public abstract void receive() throws IOException;

    protected void sendACK(int seq, InetAddress toAddr, int toPort) throws IOException {
        ...
    }

    public String getHostName() {
        return hostName;
    }
}

创建GBNHost实现这个抽象类，这样就只需要在实例化对象后调用sendData()或者receive()就可以完成对发送端和接收端的判断了

2. 运行和改造成双向传输

第一，如何运行程序。因为有了简单的封装，运行程序变得方便。使用两个不同的线程分别调用发送端和接收端的发送和接收方法。但是有个缺点，就是打印出来的内容都在一个终端中，不够美观。

还有一个办法是写两个main函数（两个Java程序入口），一个是发送端，另一个是接收端，在两个终端中分别启动这两个程序，就能看到输出到不同终端的效果了。（我还没有找到如何将Java程序一次启动但是输出到两个终端的办法）

MyHost sender = new GBNHost(host1Port, 5, 20, 3, "Sender");
sender.setDestPort(host2Port);
MyHost receiver = new GBNHost(host2Port, 5, 20, 3, "Receiver");

new Thread(() -> {
    try {
        receiver.receive();
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}).start();

new Thread(() -> {
    try {
        sender.sendData();
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}).start();

同时，改造成双向传输也变得十分简单，这时候需要四个线程，两个主机各自启动发送和接收就可以了，当然也能写成两个Java程序入口使其更直观。

3. 改造成SR协议

SR协议是一个选择发送协议，与GBN最大的不同是重发的时候发送的不是整个窗口，而是部分，因此需要知道哪些已发送、哪些未发送、哪些已正确接收。

基于MyHost抽象类，创建SRHost继承于此，但是为了模拟出SR协议的效果，维护的内容与GBN协议稍微有些区别：

/**
 * 作为发送方时发送过的分组。
 */
private Set<Integer> senderSentSet = new HashSet<>();

/**
 * 作为发送方时收到的ACK。
 */
private Set<Integer> senderReceivedACKSet = new HashSet<>();

/**
 * 作为接收方时收到的分组，用来作为缓存。
 */
private Set<Integer> receiverReceivedSet = new HashSet<>();

发送端是否发送和发送完成等的判断也不一样，SR协议的while条件是这个：

while (nextSeq < base + WINDOW_SIZE && nextSeq <= DATA_NUMBER && !senderSentSet.contains(nextSeq)) {
    ...
}

并且发送后需要将Seq加入到senderSentSet标记为已发送

senderSentSet.add(nextSeq);   // 加入已发送set

接收到ACK后，也需要做类似的操作，以便知道哪些还未正确发送

senderReceivedACKSet.add(ack);    // 加入已收到set

因为太长了，这里先不粘贴过多代码了，详见最后的完整代码。

SR协议的接收数据也有些许不同，收到乱序的但是在窗口内的数据包时不再丢弃，而是缓存起来，实现思路如下：

int seq = Integer.parseInt(received.substring(seqIndex + 6).trim());    // 获得seq
if (seq >= rcvBase && seq <= rcvBase + WINDOW_SIZE - 1) {
    receiverReceivedSet.add(seq);
    System.out.println(hostName + "收到一个窗口内的分组，Seq = " + seq + "已确认\n");

    // 模拟ACK丢失省略

    if (seq == rcvBase) {
        // 收到这个分组后可以开始滑动
        while (receiverReceivedSet.contains(rcvBase)) {
            rcvBase++;
        }
    }

} else if (seq >= rcvBase - WINDOW_SIZE && seq <= rcvBase - 1) {
    System.out.println(hostName + "收到一个已经确认过的分组，Seq = " + seq + "已再次确认");
    sendACK(seq, receivePacket.getAddress(), receivePacket.getPort());
} else {
    // 这个分组序列号太大，不在窗口内，应该舍弃
    System.out.println(hostName + "收到一个不在窗口内的分组，Seq = " + seq + "已舍弃");
}

4. SR协议运行效果

运行方式见3，在此不再赘述。

左侧接收右侧发送。如图模拟Seq 5丢失，接收方未收到Seq 5，但是后续接收被缓存，直到发送方等待ACK 5超时后会重新发送Seq 5，如图：

同样，如果接收方发回的ACK丢失，发送方等待ACK超时后也会重新发送分组，此时接收方会得知自己收到了一个重复的分组。

5. 兼容停等协议：将GBN协议的窗口大小改成1就可以了

与GBN或SR的不同在于，GBN和SR都可以做到发送多个分组之后才收到ACK，打印出来的效果是“发送Seq-发送Seq-发送……-收到ACK-收到ACK”。而停等协议中发送方每次发完一个分组就会等待ACK，所以打印结果是“发送Seq-收到ACK”的样子。

6. 遗憾

测试中我发现一个大问题，但是在提交实验之前都没有改好：如果数据包和ACK同时丢失，程序就死循环了。

7. 总结

到了寒假才想起来博客没发，已经记不得了（学了就忘）

代码下载：

链接: cs_networking_lab2.zip - zz的秘密空间

目录CONTENT

2019秋计算机网络实验2 GBN协议的设计与实现（对应实验指导书的实验3）

实验要求

实验目的

实验内容

在开始之前

1. 实现GBN协议，进行单向可靠数据传输

1.1. GBN发送端

1.2. GBN接收端

1.3. 模拟丢失数据

1.4. 封装一下？

2. 运行和改造成双向传输

3. 改造成SR协议

4. SR协议运行效果

5. 兼容停等协议：将GBN协议的窗口大小改成1就可以了

6. 遗憾

7. 总结

评论区

2019秋 计算机网络实验2 GBN协议的设计与实现（对应实验指导书的实验3）

实验要求

实验目的

实验内容

在开始之前

1. 实现GBN协议，进行单向可靠数据传输

1.1. GBN发送端

1.2. GBN接收端

1.3. 模拟丢失数据

1.4. 封装一下？

2. 运行和改造成双向传输

3. 改造成SR协议

4. SR协议运行效果

5. 兼容停等协议：将GBN协议的窗口大小改成1就可以了

6. 遗憾

7. 总结

评论区

2019秋计算机网络实验2 GBN协议的设计与实现（对应实验指导书的实验3）