在应用层模拟实用停等协议

本文允许转载，转载请保留全文！

【请先阅读】【说明&总目录】http://www.cnblogs.com/tbcaaa8/p/4415055.html

1. 背景说明

本文章来源于近期需要提交的《计算机网络》课程实验。

教材使用高等教育出版社出版的陈鸣编著的《计算机网络：原理与实践》一书。

实验分为3部分，分别需要在应用层模拟实用停等协议、连续ARQ协议和滑动窗口协议，实现文件的传输。端与端之间的通信使用Socket完成。

语言可以任选，出于简单，本文以java为例，仅介绍使用停等协议的实现，其他内容由同学们自己探索吧。强烈不推荐MFC，除非想把自己玩死。

注：本人对网络兴趣不大，上课睡觉时间远远长于听课时间，故不对文章的正确性做任何保证，代码仅供参考。

2. 模拟实用停等协议的详细思路

本程序仅仅是一个课堂实验而已，故没有在程序结构上花太多心思，基本上算是想到哪儿写到哪儿，所以代码可能有一些奇♂怪的地方。

为了能在单机状态下进行端到端的通信，每个进程即作为Client，又作为Server。在演示时，同时打开两个进程，为两个进程的Server设置不同的端口号，分别由对方进程的Client进行连接，并将IP地址使用127.0.0.1，即可实现单机状态下进程之间的通信。

程序划分为6个类：

Main：主要用于显示用户界面，完成与用户的交互；同时定义了程序中的全局常量。

Client：用于向对方进程的Server发送消息。

Server：用于监听端口，接受对方进程的Client发送的消息。

Encode：对文件进行编码，使之满足某种自己定义的帧格式。

Decode：对接收到的帧进行解码，得到帧的信息及帧中的数据。

FileFrame：简单的结构，用于表示Decode解码后得到的数据。

2.1 用户界面的设计

实验指导书中用户界面设计的非常复杂，给程序设计带来了额外的负担，其实大可不必。用户界面中只有以下部分是必须的：

端口设置部分：程序运行时，需要设置本进程接收数据的端口，供本进程Server监听对方进程Client发送的数据。同样的，也需要设置对方Server的端口，供本进程Client向对方发送数据。因此，这部分需要两个文本框和一个按钮，文本框用于接受用户输入的端口号，按钮用于确认端口并建立连接。此外，可以添加2个静态文本，用于提示用户。

信息显示部分：需要一个文本框，用于记录并显示当前进程每一次发送/接收时的详细状态。否则老师根本不知道你的程序在做什么。

发送文件部分：只需要一个按钮，文件路径与实验核心目的无关，故固定于代码中即可。

除此之外，实验指导书中用户界面的其他部分都是可有可无的。对于实验而言，没有必要把时间浪费在窗口设计上。设计效果如下图所示：

在java中实现图形化界面的方法还是比较多的，比如形形色色的eclipse插件。由于本人懒得找插件配环境，就直接使用java中的Swing编写。缺点很明显：窗口和每一个控件都需要完全使用代码来定义。鉴于本程序窗口非常简单，所以工作量还是可以容忍的。

要想让用户界面在程序的Main类中完成，必须让Main类继承JFrame类，JFrame位于javax.swing包中。代码如如下形式：

public class Main extends JFrame{
    private JLabel labelServerPort = new JLabel();
    private JLabel labelClientPort = new JLabel();
    private JTextField textServerPort = new JTextField();
    private JTextField textClientPort = new JTextField();
    private JButton buttonSetPort = new JButton();
    
    private JTextArea textMessage = new JTextArea();
    private JButton buttonSend = new JButton();

    ......  (与Socekt相关的变量)

    private void initWindow(){
        this.setSize(320, 336);
        this.getContentPane().setLayout(null);
        this.setLocationRelativeTo(null);
        this.setResizable(false);
        this.setTitle("实验一");
        this.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
        this.addWindowListener(new WindowListener(){
            @Override
            public void windowClosing(WindowEvent e) { 
                ...... (断开连接)
            }
            @Override public void windowClosed(WindowEvent e) { }
            @Override public void windowActivated(WindowEvent e) { }
            @Override public void windowDeactivated(WindowEvent e) { }
            @Override public void windowDeiconified(WindowEvent e) { }
            @Override public void windowIconified(WindowEvent e) { }
            @Override public void windowOpened(WindowEvent e) { }
        });
        
        labelServerPort.setBounds(0, 4, 64, 24);
        labelServerPort.setText("接收端口:");
        this.add(labelServerPort);
        
        textServerPort.setBounds(64, 4, 48, 24);
        this.add(textServerPort);
        
        labelClientPort.setBounds(128, 4, 64, 24);
        labelClientPort.setText("发送端口:");
        this.add(labelClientPort);
        
        textClientPort.setBounds(192, 4, 48, 24);
        this.add(textClientPort);
        
        buttonSetPort.setBounds(256, 4, 64, 24);
        buttonSetPort.setText("确定");
        buttonSetPort.setHorizontalAlignment(SwingConstants.CENTER);
        buttonSetPort.addActionListener(new ActionListener(){
            @Override
            public void actionPerformed(ActionEvent e) {
                buttonSetPort.setEnabled(false);
                ......  (建立连接)                
                buttonSend.setEnabled(true);
            }
        });
        this.add(buttonSetPort);
        
        textMessage.setLineWrap(true);
        textMessage.setWrapStyleWord(true);
        textMessage.setEditable(false);        
        JScrollPane panelMessage = new JScrollPane(textMessage);
        panelMessage.setBounds(0, 32, 320, 240);
        this.add(panelMessage);
        
        buttonSend.setBounds(0, 276, 320, 24);
        buttonSend.setText("发送文件");
        buttonSend.setHorizontalAlignment(SwingConstants.CENTER);
        buttonSend.setEnabled(false);
        buttonSend.addActionListener(new ActionListener(){
            @Override
            public void actionPerformed(ActionEvent e) {
                ......  (发送文件)
            }
        });
        this.add(buttonSend);
        
        this.setVisible(true);
    }
    
    
    public Main(){
        
        super();
        initWindow();

    }

    public static void main(String[] args) {
        new Main();
    }

View Code

除滚动条的创建稍显繁琐外，其余代码的含义较为简单，不再一一解释。但需要注意的是，对于窗口而言，this.setVisible(true);是必须存在的，且必须位于整个窗口初始化的最后一句，否则会引起窗口显示不全的问题。

2.2 Client的设计

Client部分需要完成3个任务：一是建立连接，二是发送数据帧，三是发送ACK/NAK。严格来讲，ACK与NAK的发送是Server该做的事，此处为了方便，将所有的发送操作并入Client部分。

2.2.1 建立连接

注：本小节的理解需要与2.3.1小节相结合

对于Client而言，建立连接并不困难，只需要Socket s=new Socket("127.0.0.1",端口号);即可。然而这里面却有着一些小细节需要注意。

当执行上述代码时，如果对应主机的相应端口没有打开，会导致Socket创建失败，抛出ConnectException异常。两个相互通信的进程，无论谁先打开端口，都会存在如下问题：先打开端口的进程的Client无法连接到另一个进程的Server，而后打开端口的进程的Client却可以顺利连接到另一个进程的Server。Socket创建失败会导致接下来的通信无法进行，因此当Socket创建失败时，需要通过循环不停的重新尝试创建，直至成功。如果这一过程不放到单独的线程中运行，那么在此期间主线程将一直被占用，导致先打开端口的进程的用户界面卡住，直到后打开端口的进程打开端口。

与MFC不同，java的线程创建较为简单：首先需要用一个类（类名假定为A）继承Thread类，然后重载run函数。run函数即为新线程的入口。当需要创建线程并运行时，使用new A().start();即可。需要注意的是，新线程的创建必须调用start()函数，调用之前重载的run()函数将无法创建新线程。

对于成功创建的Socket，可以使用DataOutputStream进行更高层次的封装，将Socket操作简化为文件读写的形式。

本部分代码如下：

 1 public class Client {
 2     private int port;
 3     private boolean valid = false;
 4     private Socket s = null;
 5     private DataOutputStream dos = null;
 6 
 7     private class Create extends Thread{
 8         @Override
 9         public void run(){
10             boolean success=false;
11             try{
12                 while(!success){
13                     try{
14                         s=new Socket("127.0.0.1",port);
15                         success=true;
16                     }catch(ConnectException e){ }
17                 }
18                 dos=new DataOutputStream(s.getOutputStream());                
19             }catch (Exception e) {
20                 valid=false;
21                 e.printStackTrace();
22             }
23         }
24     }
25 
26     public void create(int port){
27         this.port=port;
28         valid=true;
29         new Create().start();
30     }
31 
32     ......
33 }

View Code

2.2.2 发送数据帧

在发送过程中，程序将重复“发送→等待”的过程，为了防止“等待”过程卡死用户界面，同样需要为数据帧的发送单独创建线程。

数据帧应该包含什么呢？至少应该包含以下内容：

帧类型：用来区分这一帧是数据帧还是ACK帧还是NAK帧

帧序号：取值0或1，在处理超时重传过程中，用于区分是数据帧丢失还是ACK帧丢失的情况

是否为最后一帧：用来确定文件传输合适结束

数据长度：这个不解释了= =

数据：这个也不解释了= =

校验码：用来校验帧的数据部分是否出错

为了尽可能简化程序代码，我们可以大幅度牺牲执行效率——毕竟作为实验课程序，不惜一切代价保证正确性才是重要的。为了使帧的表示尽可能直观，我没有采用字节数组表示帧，而是采用了字符串。帧内不同的部分之间，使用某个特定的间隔符分隔（例如“|”字符），为了确保间隔符不出现在数据部分中，还需要对数据部分进行一定的处理。至于具体的处理方法，就仁者见仁智者见智了，只要保证发送方编码后的数据能够被接收方正确解码即可。在使用字符串表示帧时，数据长度是不必要的，因为可以通过数据两端的间隔符的位置直接计算出数据长度。

 1 public class Client {
 2 
 3     ......
 4 
 5     private byte[] fileBuffer = null;
 6     
 7     private class SendFile extends Thread{
 8         @Override
 9         public void run(){
10             try {
11                 //server是服务端的实例，服务端收到数据后设置相应状态量，供客户端查询
12                 server.receiveACK=true;
13                 server.receiveNAK=false;
14                 server.nextFrameIndex=0;
15                 
16                 String[] frame=Encode.encodeFile(fileBuffer);//由字节数组编码得到字符串格式的帧
17                 int k=0;//当前发送的帧在数组frame中的下标
18                 while(true){
19                     while(!server.receiveACK && !server.receiveNAK && System.currentTimeMillis()-lastSendTime<Main.timeOut);
20                     if(server.receiveACK){//对方返回ACK
21                         if(k==frame.length)break;//所有帧发送完毕，接收最后一个ACK
22                         server.receiveACK=server.receiveNAK=false;
23                         if(Main.random.nextDouble()>Main.pLoseFrame){//概率丢帧
24                             if(Main.random.nextDouble()<Main.pCRC32Error)dos.writeUTF(frame[k]+"0");//概率出错 
25                             else dos.writeUTF(frame[k]);//发送下一帧
26                             dos.flush();
27                         }
28                         ++k;
29                     }else{//对方返回NAK 或者 超时
30                         server.receiveACK=server.receiveNAK=false;
31                         if(Main.random.nextDouble()>Main.pLoseFrame){//丢帧
32                             if(Main.random.nextDouble()<Main.pCRC32Error)dos.writeUTF(frame[k-1]+"0");//错误的CRC
33                             else dos.writeUTF(frame[k-1]);//重发上一帧
34                             dos.flush();
35                         }
36                     }
37                     lastSendTime=System.currentTimeMillis();
38                 }
39             } catch (Exception e) {
40                 e.printStackTrace();
41             }
42             
43         }
44     }
45     
46     public boolean sendFile(String path){
47         if(!valid)return false;
48         try {
49             File file = new File(path);  
50             long fileSize = file.length();  
51             FileInputStream fis = new FileInputStream(file);  
52             byte[] buffer = new byte[(int)fileSize];  
53             int offset = 0;  
54             int numRead = 0;  
55             while (offset<buffer.length && (numRead=fis.read(buffer,offset,buffer.length-offset))>=0){  
56                 offset += numRead;  
57             }
58             fis.close();
59             fileBuffer=buffer;
60             new SendFile().start();
61             
62         } catch (Exception e) {
63             e.printStackTrace();
64             return false;
65         }
66         return true;
67     }
68 
69     ......
70 }

View Code

对于链路中各类出错情况的模拟也并不复杂：

帧丢失：直接不发送

帧出错：给帧赋予错误的校验码再发送

帧超时：若干秒后发送（代码中未体现）

2.2.3 发送ACK/NAK帧

此处定义：

ACK N：确认之前收到的帧，希望收到帧序号为N的帧

NAK N：帧序号为N的帧出错，请求重传

因此，ACK/NAK帧的帧结构可以非常简单，只需要帧类型和序号N这两部分即可。同样可以使用字符串的形式表示帧。

ACK/NAK帧的发送过程很短，而且不需要等待进一步的回复，因此无需使用单独的线程，可以放在主线程中。代码如下：

 1 public class Client {
 2 
 3     ......
 4 
 5     public void sendACK(int frameIndex){
 6         if(valid){
 7             try {
 8                 if(Main.random.nextDouble()>Main.pLoseFrame){
 9                     dos.writeUTF("ack|"+frameIndex);
10                     dos.flush();
11                 }
12             } catch (Exception e) {
13                 e.printStackTrace();
14             }
15         }
16     }
17     
18     public void sendNAK(int frameIndex){
19         if(valid){
20             try {
21                 if(Main.random.nextDouble()>Main.pLoseFrame){
22                     dos.writeUTF("nak|"+frameIndex);
23                     dos.flush();
24                 }
25             } catch (Exception e) {
26                 e.printStackTrace();
27             }
28         }
29     }
30 
31 }

View Code

同样地，我们需要模拟帧丢失和帧超时的情况。

2.3 Server的设计

Server部分需要完成两个任务：一是创建服务端，二是监听端口接收数据。

2.3.1 创建服务端

注：本小节的理解需要与2.2.1小节相结合

Server的创建同样不复杂，java为我们遮盖了太多的细节，使得编程倾向于傻瓜化。代码含义显而易见，不再做过多解释。

 1 public class Server {
 2     
 3     public boolean receiveACK=true;
 4     public boolean receiveNAK=false;
 5     public int nextFrameIndex=0;//已经确认之前的帧，希望收到的帧的序号
 6     
 7     private boolean valid = false;
 8     private ServerSocket ss = null;
 9     private Client client = null;
10     
11     private FileOutputStream fos = null;
12     private int idx=1;//当前接收的帧是文件的第idx部分
13     
14     public void create(int port){
15         valid=true;
16         try {
17             ss=new ServerSocket(port);
18         } catch (Exception e) {
19             valid = false;
20             e.printStackTrace();
21         }
22         
23         Run run=new Run();
24         run.start();
25 
26     }
27     
28     ......
29 }

View Code

2.3.2 监听端口接收数据

回顾2.3.1小节的代码，可以发现在创建服务端创建结束后，有一个新的线程被创建，这个线程就是用来监听端口的。由于对端口的监听会阻塞线程，为了避免主线程被阻塞，为端口监听安排一个独立的线程是必要的。代码如下：

 1 public class Server {
 2         
 3     ......
 4 
 5     private class Run extends Thread{
 6         @Override
 7         public void run(){
 8             try {
 9                 if(!valid)return;
10                 Socket s = ss.accept();
11                 DataInputStream dis = new DataInputStream(s.getInputStream());//读取数据，每次读取完毕会抛出EOFException异常
12                 int expectedFrameIndex=0;//希望收到帧的帧序号，取值总是0或1
13                 while(valid){
14                     try{
15                         String frame=dis.readUTF();
16                         if(frame==null || frame.equals(""))continue;//这一句并不是特别必要
17                         
18                         String frameType=Decode.getType(frame);//对帧进行初步解码，得到帧的类型
19                         
20                         if (frameType.equals("file")){//数据帧
21                             FileFrame ff=Decode.decodeFile(frame);//对数据帧进行进一步解码，得到帧的具体内容
22                             if(expectedFrameIndex==ff.frameIndex){
23                                 if(ff.CRC32){//如果帧校验正确
24                                     ++idx;
25                                     if(fos==null)fos= new FileOutputStream("file");//第一帧，创建新文件
26                                     fos.write(ff.data);//将收到的帧存入文件
27                                     if(!ff.hasNext){ fos.close(); fos=null; idx=1; }//最后一帧，关闭文件
28                                     expectedFrameIndex=1-expectedFrameIndex;
29                                     client.sendACK(1-ff.frameIndex);
30                                 }else{
31                                     client.sendNAK(ff.frameIndex);
32                                 }
33                             }else{//帧的序号错误，代表收到了重复帧。通常是由于ACK丢失或数据帧超时引起Client重传，丢弃即可
34                                 client.sendACK(1-ff.frameIndex);//虽然丢弃，仍要ACK通知Client，否则Client死循环
35                             }
36                         }else if (frameType.equals("ack")){
37                             nextFrameIndex=Integer.parseInt(frame.split("\|")[1]);
38                             receiveACK=true;
39                         }else if (frameType.equals("nak")){
40                             nextFrameIndex=Integer.parseInt(frame.split("\|")[1]);
41                             receiveNAK=true;
42                         }
43                     } catch (EOFException e){ }
44                 }
45             } catch (Exception e) {
46                 e.printStackTrace();
47             }
48 
49         }
50     }
51 }

View Code

FileFrame类只有成员变量没有成员函数，用来表示经过解码后的帧。

2.4 其他

对于上述操作的每一步，留下记录。

作为一种省事的方法，可以在以上每个类的构造函数中，记录用户界面中消息显示控件对应的对象，直接在其中追加内容即可。

这样会导致对用户界面的操作掺杂在整个协议中，不过反正是实验而已管他呢~

3. 连续ARQ与滑动窗口协议

连续ARQ与滑动窗口协议可以在实用停等协议的基础上加以改造。

对于连续ARQ协议：

取消NAK，发生校验错误时等Client超时重传

ACK的含义发生了变化

发送端增加滑动窗口，适当选择窗口大小

对于滑动窗口协议：

取消NAK，发生校验错误时等Client超时重传

ACK的含义发生了变化

增加发送窗口和接收窗口，适当选择窗口大小

建议参考课本P89图示，而不是P91图示

　　滑动窗口协议效果示例：

发送端：

接收端：

相关阅读:
iview table的render()函数基本的用法
 【整理】iview Tree数据格式问题,无限递归树处理数据
 【整理】用JSON-server模拟REST API
【整理】解决vue不相关组件之间的数据传递----vuex的学习笔记，解决报错this.$store.commit is not a function
【整理】 vue-cli 打包后显示favicon.ico小图标
 【整理】treeGrid 树形表格
 【整理】iview中刷新页面的时候更新导航菜单的active-name
[整理] webpack+vuecli打包生成资源相对引用路径与背景图片的正确引用
 在.vue文件中让html代码自动补全的方法(支持vscode)
解决VSCode中使用vetur插件格式化vue文件时，js代码会自动加上冒号和分号
原文地址：https://www.cnblogs.com/tbcaaa8/p/4456295.html