CS144 Lab2: TCPReceiver实现全解析

CS144 Lab2: TCPReceiver实现全解析

前言

Lab2是CS144课程中的重要里程碑，要求我们实现TCP接收方的核心功能。经过反复调试和优化，我深刻体会到了TCP协议的精妙设计。本文将详细记录实现过程中的关键思路、常见陷阱以及解决方案。

任务概述

Lab2的核心任务是实现TCPReceiver类的三个关键方法：

1. segment_received() - 处理接收到的TCP段
2. ackno() - 计算确认序列号
3. window_size() - 计算接收窗口大小

核心概念理解

1. 三种序列号空间

这是整个Lab2最容易混淆的概念：

// 1. 32位包装序列号 (WrappingInt32) - TCP头部中的序列号
WrappingInt32 seqno = seg.header().seqno;// 2. 64位绝对序列号 (uint64_t) - 用于比较和计算，解决回绕问题
uint64_t abs_seqno = unwrap(seqno, isn, checkpoint);// 3. 流索引 (uint64_t) - StreamReassembler使用，从0开始的数据索引
uint64_t stream_index = abs_seqno - isn_abs - 1;

关键理解：

• 32位序列号：TCP协议层面，会回绕
• 64位绝对序列号：内部计算使用，不会回绕
• 流索引：应用层面，纯数据索引

2. 序列号占用规律

元素	序列号占用	流索引占用	示例
SYN	1	0	建立连接，不传输数据
数据字节	1	1	每字节占用一个位置
FIN	1	0	结束连接，不传输数据

实现思路详解

1. segment_received() 实现

这是整个Lab2的核心方法，需要处理多个复杂逻辑：

1.1 ISN处理（特殊情况）

bool TCPReceiver::segment_received(const TCPSegment &seg) {// 特殊情况：ISN未设置时if (!_isn_set) {if (seg.header().syn) {_isn = seg.header().seqno;_isn_set = true;// 关键：第一个SYN段直接接受，不做窗口检查if (seg.payload().size() > 0 || seg.header().fin) {_reassembler.push_substring(seg.payload().copy(), 0, seg.header().fin);}_checkpoint = _isn.raw_value() + seg.length_in_sequence_space();return true;} else {return false;  // 没有SYN，拒绝}}// 正常情况：ISN已设置，进行窗口检查...
}

关键点：

• ISN未设置时，只接受带SYN标志的段
• 第一个SYN段不需要窗口检查，直接接受
• SYN段可能同时包含数据和FIN

1.2 窗口检查逻辑

// 计算窗口大小
size_t window_size = _capacity - _reassembler.stream_out().buffer_size();
if (window_size == 0) window_size = 1;  // 零窗口特殊处理// 计算窗口边界（绝对序列号空间）
uint64_t next_expected_offset = _reassembler.stream_out().bytes_written() + 1;
if (_reassembler.stream_out().input_ended()) {next_expected_offset += 1;  // FIN已处理
}uint64_t window_start_abs = unwrap(wrap(next_expected_offset, _isn), _isn, _checkpoint);
uint64_t window_end_abs = window_start_abs + window_size - 1;// 计算段边界
size_t seg_length = seg.length_in_sequence_space();
if (seg_length == 0) seg_length = 1;  // 零长度段特殊处理uint64_t seg_start = abs_seqno;
uint64_t seg_end = seg_start + seg_length - 1;// 重叠检查：只要有部分重叠就接受
bool in_window = !(seg_start > window_end_abs || seg_end < window_start_abs);

窗口检查要点：

1. 零窗口处理：大小为0时当作1处理
2. 零长度段：长度为0时当作1处理
3. 重叠判断：部分重叠即可接受
4. 坐标统一：都使用绝对序列号比较

1.3 流索引计算与数据处理

if (in_window) {uint64_t stream_index;if (seg.header().syn) {stream_index = 0;  // SYN段数据从索引0开始} else {// 关键：正确的流索引转换uint64_t isn_abs = unwrap(_isn, _isn, _checkpoint);stream_index = abs_seqno - isn_abs - 1;  // -1去除SYN占位}_reassembler.push_substring(seg.payload().copy(), stream_index, seg.header().fin);_checkpoint = abs_seqno + seg.length_in_sequence_space();
}

2. ackno() 实现

确认序列号的计算是TCP协议的精髓：

optional<WrappingInt32> TCPReceiver::ackno() const {if (!_isn_set) {return nullopt;  // 没有SYN就没有ackno}// 计算下一个期望的相对偏移uint64_t next_expected_offset = _reassembler.stream_out().bytes_written() + 1;  // +1为SYN占位// 如果流结束，还要为FIN确认if (_reassembler.stream_out().input_ended()) {next_expected_offset += 1;  // +1为FIN占位}return wrap(next_expected_offset, _isn);
}

ackno计算公式：

ackno_offset = 已写入字节数 + 1(SYN占位) + (流结束 ? 1(FIN占位) : 0)

3. window_size() 实现

这个相对简单：

size_t TCPReceiver::window_size() const {return _capacity - _reassembler.stream_out().buffer_size();
}

常见陷阱与解决方案

陷阱1：直接使用 _isn.raw_value()

错误做法：

// ❌ 危险：忽略了序列号回绕
uint64_t abs_seqno = _isn.raw_value() + offset;

正确做法：

// ✅ 安全：通过wrap/unwrap处理回绕
uint64_t abs_seqno = unwrap(wrap(offset, _isn), _isn, _checkpoint);

陷阱2：wrap函数参数错误

错误理解：

// ❌ 错误：传入绝对序列号
return wrap(absolute_seqno, _isn);

正确理解：

// ✅ 正确：传入相对偏移
return wrap(offset_from_isn, _isn);

wrap函数本质：wrap(n, isn) = isn + n，其中n是相对偏移量。

陷阱3：abs()函数用于无符号整数

问题代码：

// ❌ 危险：无符号数下溢 + abs()类型转换问题
uint64_t dist = abs(a - b);

正确做法：

// ✅ 安全：手动计算绝对值差
uint64_t dist = (a >= b) ? (a - b) : (b - a);

陷阱4：窗口检查逻辑错误

错误逻辑：

// ❌ 逻辑反了
bool in_window = !(seg_start <= window_end && seg_end >= window_start);

正确逻辑：

// ✅ 德摩根定律正确应用
bool in_window = !(seg_start > window_end || seg_end < window_start);
// 等价于：(seg_start <= window_end && seg_end >= window_start)

陷阱5：序列号空间混淆

常见错误：

// ❌ 错误：直接把绝对序列号当流索引
_reassembler.push_substring(data, abs_seqno, eof);

正确做法：

// ✅ 正确：转换为流索引
uint64_t stream_index = abs_seqno - isn_abs - 1;
_reassembler.push_substring(data, stream_index, eof);

总结

Lab2的核心挑战在于序列号空间的正确理解和转换。关键要点：

1. 三种序列号空间要区分清楚
2. wrap/unwrap函数要正确使用
3. 窗口检查逻辑要处理各种边界情况
4. 特殊情况处理（SYN、FIN、零窗口、零长度）
5. 调试技巧帮助快速定位问题

扩展思考

1. 为什么TCP需要序列号？ - 保证数据的顺序性和完整性
2. 为什么要用32位序列号？ - 平衡空间效率和回绕周期
3. 如何处理序列号回绕？ - 使用相对比较和窗口机制
4. 窗口机制的作用是什么？ - 流量控制，防止接收方溢出

这些思考将帮助我们更深入地理解TCP协议的设计智慧。