在应用层模拟实用停等协议
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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(); }
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 }
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 }
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 }
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 }
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 }
这里介绍一下String类的split函数。顾名思义，split函数的作用是对字符串进行分割，返回值为字符串数组，表示分割后的每一部分。其参数为正则式表示的分割规则，在本应用环境下，可以理解为帧的不同部分之间的分隔符。然而之前使用的“|”符号在正则式中有特殊含义，需要通过“\”转义，需要将“|”表示为“\|”。与C/C++类似，“\”字符在java语言的字符串中本身就是转义字符，表示其本身时应双写为“\\”。因此，在使用“|”作为分隔符时，split的参数应写为“\\|”。
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：
