lab_4_144

🕗 发布于 2024-11-20 06:40 网络

lab4

建立起基本的连接、数据传输和连接终止的过程

建立连接过程: 实现 TCP 握手协议的逻辑，包括客户端和服务器端的连接建立过程。
数据传输: 涉及如何传输数据段，并处理数据包的丢失或损坏等情况。
连接的终止: 实现 TCP 连接的正常终止过程，确保数据传输的完整性和可靠性

创建名为TCPConnection的总体模块，该模块将TCPSender和TCPReceiver结合起来，并处理连接的全局管理。连接的TCP段可以让我们的代码与Internet上使用相同TCP/IP语言的数十亿其他计算机通信
在这里插入图片描述

图解：

1、实现表示客户端，虚线表示服务器server

2、客户端（client）和服务器端（server）在连接的初始状态下都处于CLOSED状态

3、客户端和服务器的角色分别是Sender和Receiver，它们之间通过TCPConnection进行交互

4、TCP连接的状态：

服务器端在开始监听连接时，处于LISTEN状态。客户端则处于CLOSED状态

5、服务器端的状态：

服务器端的Receiver会在调用listen()时进入LISTEN状态。此时，Sender（客户端）依然处于CLOSED状态，表示尚未建立连接

服务器端处于LISTEN状态，准备接收来自客户端的连接请求

三次握手：

1、客户端会发送SYN包请求建立连接(第一次握手)，并进入SYN_SENT状态。而服务器端在这时处于LISTEN状态，准备接受连接

2、当服务器接收到客户端的SYN包时，客户端仍处于SYN_SENT状态，等待服务器的确认，服务器收到后回复SYN-ACK包(第二次握手)，服务器会将自己的接收端状态设置为SYN_RCVD，表示它已经收到连接请求，

3、客户端接收到服务器的SYN-ACK包后，向服务器发送一个ACK包，确认服务器的响应(第三次握手)；客户端进入ESTABLISHED状态，服务器接收到ACK包后，也进入ESTABLISHED状态，TCP连接建立成功

两次握手无法有效防止网络中滞留的旧请求导致的误连接
假设客户端发送了一个连接请求 SYN 包（第一次握手），但由于网络延迟，该请求被滞留在网络中。
客户端认为连接失败后，会重新发送新的连接请求，并与服务端建立连接并正常通信。
滞留的旧 SYN 包到达服务端时，服务端会误认为这是一个新的连接请求，返回 SYN-ACK，建立一个无效连接

三次握手已经能确认双方的通信能力和连接状态，增加额外步骤(四次握手)没有实际意义，浪费通信资源

四次挥手：

1、TCP连接的断开过程是由四个报文（Packet）组成的，通常被称为“四次挥手”

2、第一次挥手：

1. 由主动关闭连接的一方（端A）发送一个`FIN`包（即“结束”标志）给另一方（端B）
1. 发送FIN包的目的是通知对方，端A已经没有数据要发送了，但它仍然可以接收来自端B的数据
1. 端A发送FIN包后，自己进入FIN_WAIT_1状态

3、端B收到FIN包并回复ACK包

1. 端B收到端A的FIN包后，发送一个ACK包确认收到了FIN
1. 端B进入`CLOSE_WAIT`状态，表示它已准备关闭连接，但仍然等待数据的发送

4、端B发送FIN包给端A

1. 在端B准备好关闭连接后，它发送一个`FIN`包给端A，表示端B也没有数据要发送了，准备关闭连接
1. 端B进入LAST_ACK状态，等待端A的最终确认

5、端A收到FIN包并回复ACK包

1. 端A收到端B的FIN包后，发送一个ACK包确认端B的FIN包
1. 端A进入TIME_WAIT状态，等待足够的时间以确保端B收到确认
1. 最终，端A进入CLOSED状态，连接完全关闭

第一次挥手（主动关闭方 → 被动关闭方）：
主动关闭方发送 FIN，表示“我已经没有数据要发送了，但还能接收你的数据”。

第二次挥手（被动关闭方 → 主动关闭方）：
被动关闭方收到 FIN 后，回复 ACK，表示“我知道你要关闭发送方向了”。

第三次挥手（被动关闭方 → 主动关闭方）：
被动关闭方发送 FIN，表示“我也没有数据要发送了”。

第四次挥手（主动关闭方 → 被动关闭方）：
主动关闭方收到 FIN 后，回复 ACK，表示“我知道你要关闭发送方向了”，连接完全关闭


三次挥手：如果被动关闭方在收到主动方的 FIN 后直接发送 FIN 而不先确认，会使得主动方无法确认自己方向的数据是否已完全被对方接收

tcp_connection.hh：

class TCPConnection {
  private:
    TCPConfig _cfg;  // 保存TCP连接的配置信息
    TCPReceiver _receiver{_cfg.recv_capacity};  // 用于接收数据的接收方，传入接收缓冲区大小
    TCPSender _sender{_cfg.send_capacity, _cfg.rt_timeout, _cfg.fixed_isn};  // 用于发送数据的发送方，传入发送缓冲区大小、重传超时和初始序列号

    std::queue<TCPSegment> _segments_out{};  // 存储待发送的TCP段

    bool _linger_after_streams_finish{true};  // 指示是否在数据流结束后继续保持连接活跃，用于避免对方不知道我们已接收到整个流

  public:
    void connect();  // 发起连接，发送SYN报文

    size_t write(const std::string &data);  // 向TCP连接写入数据，返回实际写入的字节数

    size_t remaining_outbound_capacity() const;  // 返回发送缓冲区中剩余的容量

    void end_input_stream();  // 关闭输出流，但仍然允许读取输入数据流

    ByteStream &inbound_stream() { return _receiver.stream_out(); }  // 获取接收到的字节流

    size_t bytes_in_flight() const;  // 返回已发送但未被确认的字节数，包括SYN/FIN每个视为一个字节

    size_t unassembled_bytes() const;  // 返回接收到的但尚未重新组装的字节数

    size_t time_since_last_segment_received() const;  // 返回自上次接收到TCP段以来的时间（毫秒）

    TCPState state() const { return {_sender, _receiver, active(), _linger_after_streams_finish}; };  // 返回当前连接的状态

    void segment_received(const TCPSegment &seg);  // 处理接收到的TCP段

    void tick(const size_t ms_since_last_tick);  // 定时调用，处理超时和其他定时相关的任务

    std::queue<TCPSegment> &segments_out() { return _segments_out; }  // 返回待发送的TCP段队列

    bool active() const;  // 判断连接是否仍然活跃

    explicit TCPConnection(const TCPConfig &cfg) : _cfg{cfg} {}  // 使用配置创建TCP连接

    ~TCPConnection();  // 析构函数，如果连接仍然活跃，发送RST报文

    TCPConnection() = delete;  // 禁止默认构造函数

    TCPConnection(TCPConnection &&other) = default;  // 允许移动构造

    TCPConnection &operator=(TCPConnection &&other) = default;  // 允许移动赋值

    TCPConnection(const TCPConnection &other) = delete;  // 禁止复制构造函数

    TCPConnection &operator=(const TCPConnection &other) = delete;  // 禁止复制赋值运算符
};

TCPConnection 类封装了TCP连接的管理，包括连接建立、数据发送、接收处理、状态跟踪等功能。通过包含 TCPSender、TCPReceiver 和一些辅助方法，类实现了TCP协议的基本功能，如数据流的传输和连接的关闭。类中的多个方法和成员变量帮助跟踪连接状态、管理数据流、处理TCP段以及确保连接的正确关闭

class TCPConfig {
  public:
    static constexpr size_t DEFAULT_CAPACITY = 64000;  //!< Default capacity
    static constexpr size_t MAX_PAYLOAD_SIZE = 1000;   //!< Conservative max payload size for real Internet
    static constexpr uint16_t TIMEOUT_DFLT = 1000;     //!< Default re-transmit timeout is 1 second
    static constexpr unsigned MAX_RETX_ATTEMPTS = 8;   //!< Maximum re-transmit attempts before giving up

    uint16_t rt_timeout = TIMEOUT_DFLT;       //!< Initial value of the retransmission timeout, in milliseconds
    size_t recv_capacity = DEFAULT_CAPACITY;  //!< Receive capacity, in bytes
    size_t send_capacity = DEFAULT_CAPACITY;  //!< Sender capacity, in bytes
    std::optional<WrappingInt32> fixed_isn{};
};

TCPConfig是TCP连接所需的基本参数

DEFAULT_CAPACITY表示TCP连接的默认缓冲区容量，这里TCP连接的发送和接收缓冲区默认可以存储最多64000字节的数据
MAX_PAYLOAD_SIZE表示单个TCP段（segment）的最大有效载荷（payload）大小
MAX_RETX_ATTEMPTS这个值表示在放弃之前，最大重传尝试次数
DEFAULT_CAPACITY这个成员表示接收缓冲区的容量（字节）
fixed_isn表示一个32位的循环整数。这个成员可能用于配置一个固定的初始序列号（ISN）
std::optional 是一个容器，可以包含一个值或者不包含任何值（即为空）

TCPState封装了上图的TCP三次握手和四次挥手的各种状态

TCPState state() const { return {_sender, _receiver, active(), _linger_after_streams_finish}; };

class TCPState {
  private:
    std::string _sender{};
    std::string _receiver{};
    bool _active{true};
    bool _linger_after_streams_finish{true};

  public:
    bool operator==(const TCPState &other) const;
    bool operator!=(const TCPState &other) const;

    //! \brief Official state names from the [TCP](\ref rfc::rfc793) specification
    enum class State {
        LISTEN = 0,   //!< Listening for a peer to connect
        SYN_RCVD,     //!< Got the peer's SYN
        SYN_SENT,     //!< Sent a SYN to initiate a connection
        ESTABLISHED,  //!< Three-way handshake complete
        CLOSE_WAIT,   //!< Remote side has sent a FIN, connection is half-open
        LAST_ACK,     //!< Local side sent a FIN from CLOSE_WAIT, waiting for ACK
        FIN_WAIT_1,   //!< Sent a FIN to the remote side, not yet ACK'd
        FIN_WAIT_2,   //!< Received an ACK for previously-sent FIN
        CLOSING,      //!< Received a FIN just after we sent one
        TIME_WAIT,    //!< Both sides have sent FIN and ACK'd, waiting for 2 MSL
        CLOSED,       //!< A connection that has terminated normally
        RESET,        //!< A connection that terminated abnormally
    };

    //! \brief Summarize the TCPState in a string
    std::string name() const;

    //! \brief Construct a TCPState given a sender, a receiver, and the TCPConnection's active and linger bits
    TCPState(const TCPSender &sender, const TCPReceiver &receiver, const bool active, const bool linger);

    //! \brief Construct a TCPState that corresponds to one of the "official" TCP state names
    TCPState(const TCPState::State state);

    //! \brief Summarize the state of a TCPReceiver in a string
    static std::string state_summary(const TCPReceiver &receiver);

    //! \brief Summarize the state of a TCPSender in a string
    static std::string state_summary(const TCPSender &receiver);
};


 TCPState state() const { return {_sender, _receiver, active(), _linger_after_streams_finish}; };
 // return {_sender, _receiver, active(), _linger_after_streams_finish}; 这里的 _sender、_receiver、active() 和 _linger_after_streams_finish 都是假设的成员变量或函数

TCP协议的标准状态

LISTEN：正在监听新的连接请求（如服务器端处于被动打开）。
SYN_RCVD：收到对端发送的 SYN 数据段。
SYN_SENT：发送了一个 SYN 数据段以主动建立连接。
ESTABLISHED：三次握手完成，连接建立。

CLOSE_WAIT：收到对端发送的 FIN 数据段，等待关闭连接。
LAST_ACK：本地发送了 FIN，等待对端的确认。
FIN_WAIT_1：本地发送了 FIN，尚未收到对端的确认。
FIN_WAIT_2：收到对端对 FIN 的确认，等待对端的 FIN。
CLOSING：本地发送 FIN 后，立刻收到对端的 FIN。
TIME_WAIT：双方完成了 FIN 和 ACK 的交换，等待两倍最大段寿命（2 MSL）以确保对端收到 ACK。
CLOSED：连接已正常关闭。

RESET：连接因异常原因被中断

TCPConnection实现

1、remaining_outbound_capacity()

size_t TCPConnection::remaining_outbound_capacity() const {
return _sender.stream_in().remaining_capacity();
}
// 返回当前 TCP 连接的剩余可写容量，即还可以向发送缓冲区写入的字节数
// 就是发送者 TCPSender 的发送缓冲区的剩余可用字节数。这个值表明还能写入多少数据到发送者的缓存中

2、发送者的其他参数

size_t TCPConnection::bytes_in_flight() const {
    return _sender.bytes_in_flight();
}
// 返回发送者的飞行中的字节（in-flight bytes）；返回当前已经发送但尚未被对方确认（ACK）的字节数

size_t TCPConnection::unassembled_bytes() const { return _receiver.unassembled_bytes(); }

size_t TCPConnection::time_since_last_segment_received() const { return _last_recv_et;}

3、segment_received

void TCPConnection::segment_received(const TCPSegment &seg) {
    _last_recv_et = 0; // 重置时间计数器（表示刚收到一个段）
    const TCPHeader &header = seg.header(); // 获取 TCP 段的头部信息
    if (header.rst) { // 如果收到 RST 段
        _shutdown(false); // 异常关闭连接
        return;
    }
    _receiver.segment_received(seg); // 处理接收到的 TCP 段（更新接收器状态）
    if (header.ack) { // 如果收到 ACK 段
        _sender.ack_received(header.ackno, header.win); // 更新发送器状态
    }
    // 如果收到的数据段有数据，且发送器没有挂起的段需要发送
    if (seg.length_in_sequence_space() > 0 && _sender.segments_out().size() == 0) {
        _sender.fill_window(); // 尝试填满发送窗口
        if (_sender.segments_out().size() == 0) {
            _sender.send_empty_segment(); // 如果窗口仍为空，发送一个空段用于保持连接
        }
    }
    // 如果接收器的 ACK 有效，并且收到的段是窗口边界的重传段（窗口左边界 - 1）
    if (_receiver.ackno().has_value() && (seg.length_in_sequence_space() == 0) &&
        (header.seqno == _receiver.ackno().value() - 1)) {
        _sender.send_empty_segment(); // 发送一个空段以确认接收
    }
    _clear_sendbuf(); // 清空发送队列（将数据段从发送器移到连接的 `_segments_out` 队列）
    // 如果接收器的输入流结束，而发送器的输出流尚未结束
    if (_receiver.stream_out().input_ended() && !_sender.stream_in().input_ended()) {
        _linger_after_streams_finish = false; // 关闭 LINGER 模式（立即释放资源）
    }
}

4、_clear_sendbuf

将发送器（TCPSender）生成的待发送 TCP 段，从发送器的队列转移到 TCP 连接的输出队列（_segments_out）。在转移过程中，它还会为每个段设置必要的 TCP 头部字段（如窗口大小、ACK 标志和序号）

void TCPConnection::_clear_sendbuf() {
    auto &sender_queue = _sender.segments_out(); // 获取发送器的待发送队列
    while (!sender_queue.empty()) { // 循环处理发送器中的每个段
        TCPSegment &seg = sender_queue.front(); // 获取队列中的第一个 TCP 段
        TCPHeader &header = seg.header(); // 获取 TCP 段的头部信息

        // 确定接收窗口的大小，限制最大值为 16 位无符号整数的最大值
        uint16_t max_winsize = std::numeric_limits<uint16_t>::max();
        if (_receiver.window_size() > max_winsize) {
            header.win = max_winsize; // 如果接收窗口大于最大值，则将窗口大小设为最大值
        } else {
            header.win = _receiver.window_size(); // 否则设置为实际接收窗口大小
        }

        // 如果接收器有有效的 ACK
        if (_receiver.ackno().has_value()) {
            header.ack = true; // 设置 ACK 标志
            header.ackno = _receiver.ackno().value(); // 设置 ACK 序号
        }

        _segments_out.push(seg); // 将 TCP 段推入连接的输出队列
        sender_queue.pop(); // 从发送器队列中移除该段
    }
}

5、write 和 tick 方法

size_t TCPConnection::write(const string &data) {
    size_t data_size = _sender.stream_in().write(data); // 写入数据到发送器流
    _sender.fill_window(); // 尝试填充发送窗口
    _clear_sendbuf(); // 清理并转移发送器的待发送段
    return data_size; // 返回实际写入的字节数
}
// 上层应用需要通过 TCP 连接发送数据时调用此方法


void TCPConnection::tick(const size_t ms_since_last_tick) {
    _last_recv_et += ms_since_last_tick; // 累积未接收数据段的时间

    // 超过最大重传次数，发送 RST 并关闭连接
    if (_sender.consecutive_retransmissions() >= _cfg.MAX_RETX_ATTEMPTS) {
        _send_rst_segment();
        _shutdown(false); // 非正常关闭连接
        return;
    }

    // 通知发送器时间流逝
    _sender.tick(ms_since_last_tick);

    // 检查是否应该关闭连接
    if (_should_shutdown()) {
        if (_linger_after_streams_finish) { // 是否在关闭前等待对端确认
            if (_last_recv_et >= 10 * _cfg.rt_timeout) { // 等待超时，关闭连接
                _shutdown(true);
            }
        } else {
            _shutdown(true);
        }
    }

    // 清理并转移发送段
    _clear_sendbuf();
}

_sender.tick(ms_since_last_tick);

// 检查是否应该关闭连接
if (_should_shutdown()) {
    if (_linger_after_streams_finish) { // 是否在关闭前等待对端确认
        if (_last_recv_et >= 10 * _cfg.rt_timeout) { // 等待超时，关闭连接
            _shutdown(true);
        }
    } else {
        _shutdown(true);
    }
}

// 清理并转移发送段
_clear_sendbuf();

}

原文地址：https://blog.csdn.net/qq_44348970/article/details/143879943

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