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經過前面幾個實驗的鋪墊，終于到了將他們組合起來的時候了。Lab4 將實現 TCP Connection 功能，內部含有 TCPReceiver和 TCPSender，可以與 TCP 連接的另一個端點進行數據交換。

(資料圖)

簡單來說，這次實驗就是要在 TCPConnection類中實現下圖所示的有限狀態機：

這些狀態對應 TCPState的內部枚舉類 State：

//! \brief Official state names from the [TCP](\ref rfc::rfc793) specificationenum 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};

除了三次握手和四次揮手外，我們還得處理報文段首部 RST標志被置位的情況，這時候應該將斷開連接，并將內部的輸入流和輸入流標記為 error，此時的 TCPState應該是 RESET。

先在類聲明里面加上一些成員：

class TCPConnection {  private:    TCPConfig _cfg;    TCPReceiver _receiver{_cfg.recv_capacity};    TCPSender _sender{_cfg.send_capacity, _cfg.rt_timeout, _cfg.fixed_isn};    //! outbound queue of segments that the TCPConnection wants sent    std::queue _segments_out{};    //! Should the TCPConnection stay active (and keep ACKing)    //! for 10 * _cfg.rt_timeout milliseconds after both streams have ended,    //! in case the remote TCPConnection doesn"t know we"ve received its whole stream?    bool _linger_after_streams_finish{true};    bool _is_active{true};    size_t _last_segment_time{0};    /**     * @brief 發送報文段     * @param fill_window 是否填滿發送窗口    */    void send_segments(bool fill_window = false);    // 發送 RST 報文段    void send_rst_segment();    // 中止連接    void abort();  public:    // 省略其余成員}

接著實現幾個最簡單的成員函數：

size_t TCPConnection::remaining_outbound_capacity() const { return _sender.stream_in().remaining_capacity(); }size_t TCPConnection::bytes_in_flight() const { return _sender.bytes_in_flight(); }size_t TCPConnection::unassembled_bytes() const { return _receiver.unassembled_bytes(); }size_t TCPConnection::time_since_last_segment_received() const { return _last_segment_time; }bool TCPConnection::active() const { return _is_active; }

客戶端可以調用 TCPConnection::connect函數發送 SYN報文段請求與服務端建立連接，由于 Lab3 中實現的 TCPSender::fill_window()函數會根據發送方的狀態選擇要發送的報文段類型，在還沒建立連接的情況下，這里直接調用 fill_window()就會將一個 SYN報文段放在隊列中，我們只需將其取出放到 TCPConnection的 _segments_out隊列中即可：

void TCPConnection::connect() {    // 發送 SYN    send_segments(true);}void TCPConnection::send_segments(bool fill_window) {    if (fill_window)        _sender.fill_window();    auto &segments = _sender.segments_out();    while (!segments.empty()) {        auto seg = segments.front();        // 設置 ACK、確認應答號和接收窗口大小        if (_receiver.ackno()) {            seg.header().ackno = _receiver.ackno().value();            seg.header().win = _receiver.window_size();            seg.header().ack = true;        }        _segments_out.push(seg);        segments.pop();    }}

當上層程序沒有更多數據需要發送時，將會調用 TCPConnection::end_input_stream()結束輸入，這時候需要發送 FIN報文段給服務端，告訴他自己沒有更多數據要發送了，但是可以繼續接收服務端發來的數據?？蛻舳说臓顟B由 ESTABLISHED轉移到 FIN_WAIT_1，服務端收到 FIN之后變成 CLOSE_WAIT狀態，并回復 ACK給客戶端，客戶端收到之后接著轉移到 FIN_WAIT_2狀態。

如果服務端數據傳輸完成了，會發送 FIN報文段給客戶端，轉移到 LAST_ACK狀態，此時客戶端會回復最后一個 ACK給服務端并進入 TIME_WAIT超時等待狀態，如果這個等待時間內沒有收到服務端重傳的 FIN，就說明 ACK順利到達了服務端且服務端已經變成 CLOSED狀態了，此時客戶端也能斷開連接變成 CLOSED了。

void TCPConnection::end_input_stream() {    // 發送 FIN    _sender.stream_in().end_input();    send_segments(true);}

在上述情景中，客戶端是主動關閉（Active Close）的一方，服務端是被動關閉（Passive Close）的一方。

有兩種情況會導致發送 RST報文段來主動重置連接：

和 Lab3 中類似，TCPConnection通過外部定期調用 tick()函數來得知過了多長時間，在 tick()函數里還得處理超時等待的情況：

//! \param[in] ms_since_last_tick number of milliseconds since the last call to this methodvoid TCPConnection::tick(const size_t ms_since_last_tick) {    _sender.tick(ms_since_last_tick);    // 重傳次數太多時需要斷開連接    if (_sender.consecutive_retransmissions() > _cfg.MAX_RETX_ATTEMPTS) {        return send_rst_segment();    }    // 重傳數據包    send_segments();    _last_segment_time += ms_since_last_tick;    //  TIME_WAIT 超時等待狀態轉移到 CLOSED 狀態    if (TCPState::state_summary(_receiver) == TCPReceiverStateSummary::FIN_RECV &&        TCPState::state_summary(_sender) == TCPSenderStateSummary::FIN_ACKED &&        _last_segment_time >= 10 * _cfg.rt_timeout) {        _linger_after_streams_finish = false;        _is_active = false;    }}TCPConnection::~TCPConnection() {    try {        if (active()) {            cerr << "Warning: Unclean shutdown of TCPConnection\n";            // Your code here: need to send a RST segment to the peer            send_rst_segment();        }    } catch (const exception &e) {        std::cerr << "Exception destructing TCP FSM: " << e.what() << std::endl;    }}void TCPConnection::send_rst_segment() {    abort();    TCPSegment seg;    seg.header().rst = true;    _segments_out.push(seg);}void TCPConnection::abort() {    _is_active = false;    _sender.stream_in().set_error();    _receiver.stream_out().set_error();}

外部通過 TCPConnection::segment_received()將接收到的報文段傳給它，在這個函數內部，需要將確認應答號和接收窗口大小告訴 TCPSender，好讓他接著填滿發送窗口。接著還需要把報文段傳給 TCPReceiver來重組數據，并更新確認應答號和自己的接收窗口大小。然后 TCPSender需要根據收到的包類型進行狀態轉移，并決定發送含有有效數據的報文段還是空 ACK給對方。

為什么即使沒有新的數據要發送也要回復一個空 ACK呢？因為如果不這么做，對方會以為剛剛發的包丟掉了而一直重傳。

void TCPConnection::segment_received(const TCPSegment &seg) {    if (!active())        return;    _last_segment_time = 0;    // 是否需要發送空包回復 ACK，比如沒有數據的時候收到 SYN/ACK 也要回一個 ACK    bool need_empty_ack = seg.length_in_sequence_space();    auto &header = seg.header();    // 處理 RST 標志位    if (header.rst)        return abort();    // 將包交給發送者    if (header.ack) {        need_empty_ack |= !_sender.ack_received(header.ackno, header.win);        // 隊列中已經有數據報文段了就不需要專門的空包回復 ACK        if (!_sender.segments_out().empty())            need_empty_ack = false;    }    // 將包交給接受者    need_empty_ack |= !_receiver.segment_received(seg);    // 被動連接    if (TCPState::state_summary(_receiver) == TCPReceiverStateSummary::SYN_RECV &&        TCPState::state_summary(_sender) == TCPSenderStateSummary::CLOSED)        return connect();    // 被動關閉    if (TCPState::state_summary(_receiver) == TCPReceiverStateSummary::FIN_RECV &&        TCPState::state_summary(_sender) == TCPSenderStateSummary::SYN_ACKED)        _linger_after_streams_finish = false;    // LAST_ACK 狀態轉移到 CLOSED    if (TCPState::state_summary(_receiver) == TCPReceiverStateSummary::FIN_RECV &&        TCPState::state_summary(_sender) == TCPSenderStateSummary::FIN_ACKED && !_linger_after_streams_finish) {        _is_active = false;        return;    }    if (need_empty_ack && TCPState::state_summary(_receiver) != TCPReceiverStateSummary::LISTEN)        _sender.send_empty_segment();    // 發送其余報文段    send_segments();}

在終端中輸入 make check_lab4就能運行所有測試用例，測試結果如下：

發現有幾個 txrx.sh的測試用例失敗了，但是單獨運行這些測試用例卻又可以通過，就很奇怪：

接著測試一下吞吐量（請確保構建類型是 Release 而不是 Debug），感覺還行， 0.71Gbit/s，超過了實驗指導書要求的 0.1Gbit/s。但是實際上還可以優化一下 ByteStream類，將內部數據類型換成 BufferList，這樣在寫入數據的時候就不用一個字符一個字符插入隊列了，可以大大提高效率。

最后將 Lab0 中 webget使用的 TCPSocket換成 CS144TCPSocket，重新編譯并運行 webegt，發現能夠正確得到響應結果，說明我們實現的這個 CS144TCPSocket已經能和別的操作系統實現的 Socket進行交流了：

至此，CS144 的 TCP 實驗部分已全部完成，可以說是比較有挑戰性的一次實驗了，尤其是 Lab4 部分，各種奇奇怪怪的 bug，編碼一晚上，調試時長兩天半（約等于一坤天），調試的時候斷點還總是失效，最后發現是優化搞的鬼，需要將 etc/cflags.cmake第 18 行改為 set (CMAKE_CXX_FLAGS_DEBUG "${CMAKE_CXX_FLAGS_DEBUG} -ggdb3 -O0")才行。以上~~

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