基于Java实现 TCP 协议端到端的可靠传输【100012105】

# 实现 TCP 协议端到端的可靠传输 ## 实验须知 - 实验环境 Java 1.8.0_151 - 运行 将根目录导入 eclipse 运行 TestRun.java 即可 - RDT3.0 到选择响应所有文件变动较大，所以如果要运行 RDT3.0，需要替换一下文件，文件放在了 RDT3.0 的文件夹中 - 选择响应传输和 GBN 传输的只要在的 TCP_Sender.java，TCP_receiver.java 中 rdt_send 调用对应 send 函数和 reply 函数即可 ## 实验原理 TCP 进行可靠传输以保证数据包不会丢失、失序、重复并高效： - 滑动窗口 - 超时重传 - 选择确认   ## 实验内容 1. RDT2.0 - 假设：底层信道传输过程中，个别数据包的某些字节可能发生位错 - 方法：使用校验和算法检查数据包的正确性（发送前计算/接收后校验） - 具体实现： - 校验和原理 将发送的进行检验和运算的数据分成若干个 16 位的位串，每个位串看成一个二进制数，这里并不管字符串代表什么，是整数、浮点数还是位图都无所谓。 并且将二进制数取反后相加，如果最高位发生进位采取**循环进位** 同时**取反后相加结果等于相加后再取反** - 根据原理可以得出如下代码 已知校验和 16 位，Java 中没有 unsigned short，这里取 int 的低 16 位，不取 short 是因为 short 数据范围在-0x1000~0x7FFF，不好判断校验和是否大于 0xFFFF，取 int 型较好判断校验和是否发生进位。并且在每次加上一个数字都需要判断是否大于 0xFFFF，否则会出错。 ```java /*计算TCP报文段校验和：只需校验TCP首部中的seq、ack和sum，以及TCP数据字段*/ public static short computeChkSum(TCP_PACKET tcpPack) { int checkSum = 0; TCP_HEADER header = tcpPack.getTcpH(); int[] data = tcpPack.getTcpS().getData(); int len = data.length, flag = 0xffff, flagmod = 65536; checkSum = header.getTh_ack(); //防止seq字段超过0xffff if(checkSum>flag) checkSum = checkSum%flagmod+checkSum/flagmod; checkSum +=header.getTh_seq(); //防止seq字段超过0xffff if(checkSum>flag) checkSum = checkSum%flagmod+checkSum/flagmod; for(int i = 0;i < len;i++) { checkSum += data[i]; if(checkSum>flag) //防止seq字段超过0xffff checkSum = checkSum%flagmod+checkSum/flagmod; } checkSum += header.getTh_sum(); //防止seq字段超过0xffff if(checkSum>flag) checkSum = checkSum%flagmod+checkSum/flagmod; checkSum = ~checkSum; return (short) checkSum; } ``` - 也可以使用 Java 封装好的 RCR ```java public static short computeChkSum(TCP_PACKET tcpPack) { int checkSum = 0; //计算校验和 TCP_HEADER tcpH = tcpPack.getTcpH(); CRC32 crc = new CRC32(); crc.update(tcpH.getTh_ack()); crc.update(tcpH.getTh_seq()); for(int data : tcpPack.getTcpS().getData()) { crc.update(data); } checkSum = (int) crc.getValue(); return (short) checkSum; } ``` - 并且在接收方返回 ACK 包前加上判断 ```java //重新计算校验和，如果没有发生错误校验和应为0 if(CheckSum.computeChkSum(recvPack) == 0 ) { //生成返回报文 ackPack = new TCP_PACKET(tcpH, tcpS, recvPack.getSourceAddr()); tcpH.setTh_sum((short) 0); tcpH.setTh_sum(CheckSum.computeChkSum(ackPack)); //回复ACK报文段 reply(ackPack); //有重复数据的情况下需要检查数据顺序号（确定是否接收了重复的数据） //去除报文中的顺序号 //判断是否是重复数据：非重复数据，将数据插入data队列 int[] data = recvPack.getTcpS().getData(); dataQueue.add(data); //更新期待接收的顺序号 sequence=sequence+data.length; } ``` - 运行结果  程序运行此处不再发送包，也不再接受包。 查看日志可以看到  编号 5701 为 5701 包出错，客户端检查出错。 - RDT2.2 对于返回的包添加 ack 标识，对于出错的包进行重传 即在发送方和接收方都设置一个字段来设置当前传输的包，若当前的传输的包出错则不响应，发送方设置计时器，在一定时间内没有收到接收方设置的 ACK 包则进行重发，同时如果接收方发送的 ACK 包也出错的话视为接收方未响应并重发 ```java //发送端 public void rdt_send(int dataIndex, int[] appData) { //生成TCP数据报（设置序号和数据字段/校验和),注意打包的顺序 tcpH.setTh_seq(dataIndex * appData.length + 1);//包序号设置为字节流号：你也可以使用其他编号方式，注意修改对应的接收方判断序号的部分 tcpH.setTh_sum((short)0);//先将校验码设为0，用于后续的计算 tcpS.setData(appData); tcpPack = new TCP_PACKET(tcpH, tcpS, destinAddr); //更新校验码；需要重新将tcpH填入到tcpPack tcpH.setTh_sum(CheckSum.computeChkSum(tcpPack)); tcpPack.setTcpH(tcpH); sequence = tcpPack.getTcpH().getTh_seq(); //发送TCP数据报 udt_send(tcpPack); /**************************/ /**定时器的用法：定时器到时后完成重传，需要用UDT_Timer用于计时；计时到0后，触发UDT_RetransTask完成重传**/ timer = new UDT_Timer(); /**重传器UDT_RetransTask将发送端和发送内容作为成员变量**/ UDT_RetransTask reTrans = new UDT_RetransTask(client, tcpPack); /**UDT_Timer开始计时第一次重传为5s，以后每间隔3s完成一次重传；如果发现对方接收成功，需要在waitACK()中关闭计时器**/ timer.schedule(reTrans, 5000, 300); //在waitACK使用无线循环和Break，来实现停止等待；当涉及Go-Back-N 或 Selective-Response的话，就不可以用停止等待了 waitACK(); } ``` 接收端 此时需要注意，在接收端无论收到的包都需要的回复，因为有可能是上一个已经确认过的包回复 ACK 包出错，但是此时不需要交互 ```java public void rdt_recv(TCP_PACKET recvPack) { //检查校验码，生成ACK int seq = recvPack.getTcpH().getTh_seq(); if(CheckSum.computeChkSum(recvPack) == 0 ) { //生成ACK报文段（设置确认号） tcpH.setTh_ack(recvPack.getTcpH().getTh_seq()); ackPack = new TCP_PACKET(tcpH, tcpS, recvPack.getSourceAddr()); tcpH.setTh_sum((short) 0); tcpH.setTh_sum(CheckSum.computeChkSum(ackPack)); //回复ACK报文段 reply(ackPack); //有重复数据的情况下需要检查数据顺序号（确定是否接收了重复的数据） if(sequence == seq) { //判断是否是重复数据：非重复数据，将数据插入data队列 int[] data = recvPack.getTcpS().getData(); dataQueue.add(data); //更新期待接收的顺序号 sequence=sequence+data.length; } } if(dataQueue.size() >= 20) deliver_data(); } ``` 运行结果 出错的包超时重传 ![](https://www.writebug.com/myres/static/uploads/2021/12/23/918f60161c5a3396895e57a3a6a185