基于py的网络拓扑网络传输机制实验

男娘i 2024-04-06 10:23 85阅读 0赞

## 基于 py 的网络拓扑 ##

### 实验内容 ###

#### 实验内容一 ####

*  运行给定网络拓扑(tcp\_topo.py)
 *  在节点 h1 上执行 TCP 程序
    
     *  执行脚本(disable\_tcp\_rst.sh, disable\_offloading.sh)，禁止协议栈的相应功能
     *  在 h1 上运行 TCP 协议栈的服务器模式 (./tcp\_stack server 10001)
 *  在节点 h2 上执行 TCP 程序
    
     *  执行脚本(disable\_tcp\_rst.sh, disable\_offloading.sh)，禁止协议栈的相应功能
     *  在 h2 上运行 TCP 协议栈的客户端模式，连接 h1 并正确收发数据 (./tcp\_stack client 10.0.0.1 10001)
        
         *  client 向 server 发送数据，server 将数据 echo 给 client
 *  使用 tcp\_stack.py 替换其中任意一端，对端都能正确收发数据

#### 实验内容二 ####

*  修改 tcp\_apps.c(以及 tcp\_stack.py)，使之能够收发文件
 *  执行 create\_randfile.sh，生成待传输数据文件 client-input.dat
 *  运行给定网络拓扑(tcp\_topo.py)
 *  在节点 h1 上执行 TCP 程序
    
     *  执行脚本(disable\_tcp\_rst.sh, disable\_offloading.sh)，禁止协议栈的相应功能
     *  在 h1 上运行 TCP 协议栈的服务器模式 (./tcp\_stack server 10001)
 *  在节点 h2 上执行 TCP 程序
    
     *  执行脚本(disable\_tcp\_rst.sh, disable\_offloading.sh)，禁止协议栈的相应功能
     *  在 h2 上运行 TCP 协议栈的客户端模式 (./tcp\_stack client 10.0.0.1 10001)
        
         *  Client 发送文件 client-input.dat 给 server，server 将收到的数据存储到文件 server-output.dat
 *  使用 md5sum 比较两个文件是否完全相同
 *  使用 tcp\_stack.py 替换其中任意一端，对端都能正确收发数据

### 设计思路 ###

#### 实现数据传输 ####

##### `tcp_sock_read` 函数 #####

负责接收 TCP 数据，若 ring buffer 为空，则睡眠，当收到数据包时则被唤醒。具体实现如下：

int tcp_sock_read(struct tcp_sock *tsk, char *buf, int len) {
        
    	while (ring_buffer_empty(tsk->rcv_buf)) {
        
    		sleep_on(tsk->wait_recv);
    	}
    	int rlen = read_ring_buffer(tsk->rcv_buf, buf, len);
    	wake_up(tsk->wait_recv);
    	return rlen;
    }
    }

##### `handle_recv_data` 函数 #####

该函数负责接收 TCP 数据包中的数据，根据 ACK 的值添加进 ring buffer。另外，若 ring buffer 为满，则睡眠。具体实现如下：

void handle_recv_data(struct tcp_sock *tsk, struct tcp_cb *cb) {
        
    	while (ring_buffer_full(tsk->rcv_buf)) {
        
    		sleep_on(tsk->wait_recv);
    	}
    	write_ring_buffer(tsk->rcv_buf, cb->payload, cb->pl_len);
    	wake_up(tsk->wait_recv);
    	tsk->rcv_nxt = cb->seq + cb->pl_len;
    	tsk->snd_una = cb->ack;
    	tcp_send_control_packet(tsk, TCP_ACK);
    }

##### 更新后的 `tcp_process` 函数 #####

相较于上周的实验，本周的实验需要对该函数进行补充，以支持接收 TCP 数据包。更新部分的代码如下：

if (tsk->state == TCP_ESTABLISHED) {
        
        if (tcp->flags & TCP_FIN) {
        
            tcp_set_state(tsk, TCP_CLOSE_WAIT);
            tsk->rcv_nxt = cb->seq + 1;
            tcp_send_control_packet(tsk, TCP_ACK);
        } else if (tcp->flags & TCP_ACK) {
        
            if (cb->pl_len == 0) {
        
                tsk->snd_una = cb->ack;
                tsk->rcv_nxt = cb->seq + 1;
                tcp_update_window_safe(tsk, cb);
            } else {
        
                handle_recv_data(tsk, cb);
            }
        }
    
    }

##### `tcp_sock_write` 函数 #####

负责发送 TCP 数据包。如果对端 recv\_window 允许，则发送数据，每次读取 1 个数据包大小的数据，即 `min(data_len, 1514 - ETHER_HDR_SIZE - IP_HDR_SIZE - TCP_HDR_SIZE)`。然后封装数据包，通过 IP 层发送函数，将数据包发出去。具体实现如下：

int tcp_sock_write(struct tcp_sock *tsk, char *buf, int len) {
        
    	int single_len = 0;
    	int init_seq = tsk->snd_una;
    	int init_len = len;
    
    	while (len > 1514 - ETHER_HDR_SIZE - IP_BASE_HDR_SIZE - TCP_BASE_HDR_SIZE) {
        
    		single_len = min(len, 1514 - ETHER_HDR_SIZE - IP_BASE_HDR_SIZE - TCP_BASE_HDR_SIZE);
    		send_data(tsk, buf + (tsk->snd_una - init_seq), single_len);
    		sleep_on(tsk->wait_send);
    		len -= single_len;
    	}
    
    	send_data(tsk, buf + (tsk->snd_una - init_seq), len);
    	return init_len;
    }

其中调用的 `send_data` 函数如下，负责调用 tcp\_send\_packet 函数发送数据包：

void send_data(struct tcp_sock *tsk, char *buf, int len) {
        
    	int send_packet_len = ETHER_HDR_SIZE + IP_BASE_HDR_SIZE + TCP_BASE_HDR_SIZE + len;
    	char * packet = (char *)malloc(send_packet_len);
    	memcpy(packet + ETHER_HDR_SIZE + IP_BASE_HDR_SIZE + TCP_BASE_HDR_SIZE, buf, len);
    	tsk->snd_wnd = len;
    	tcp_send_packet(tsk, packet, send_packet_len);
    }

### 结果验证 ###

#### 实验一结果 ####

实验结果如下：

![在这里插入图片描述][6b429b4454ed4aad87b265c395a49193.jpeg_pic_center]

上图可知，可知本次实验结果符合预期。每次能 echo 正确的值。

另外，若 h2 用 tcp\_stack.py 运行 client，h1 不管是运行本设计的 server 还是利用用 tcp\_stack.py 运行 server，结果都是 echo 出整个字符串“0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ”，结果也符合预期。

#### 实验二结果 ####

实验结果如下：

![在这里插入图片描述][0d16de573ec548d5acbb4a9cd823305c.jpeg_pic_center]

上图可知，可知本次实验结果符合预期，客户端发送的文件与服务器端接受的文件一致。

[6b429b4454ed4aad87b265c395a49193.jpeg_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/299c32f0898c40af8238676074ad7fb6.jpeg
[0d16de573ec548d5acbb4a9cd823305c.jpeg_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/744c52b36eae4a7b997199ffa1e20c16.jpeg