CS144
CS144 是 MIT 的计算机网络课程。其 Project 主要目标是根据实验指导，用 C++ 循序渐进地搭建出整个 TCP/IP 协议栈。该 Project 包含了 Network Layer 和 Transport Layer 的知识，能够让学生从代码的角度理解实现细节。下文内容主要关于 CS144 的 Lab4。
TCP 协议的状态机
对于上面的状态图，事件描述的左边为接收数据段，而右边为发送数据段。举个例子：若机器当前状态为 LISTEN，在接收到 SYN 数据段时，则会发送 SYN+ACK 数据段，并将状态切换成 SYN RECEIVED。
下面是在 CS144 中，TCP Connection 对应的 Receiver 和 Sender 的状态表：
（其中，linger 和 active 的默认值为 ture）
| Connection | Receiver | Sender |
|---|---|---|
| LISTEN | LISTEN | CLOSED |
| SYN_SENT | LISTEN | SYN_SENT |
| SYN_RCVD | SYN_RECV | SYN_SENT |
| ESTABLISHED | SYN_RECV | SYN_ACKED |
| FIN_WAIT_1 | SYN_RECV | FIN_SENT |
| CLOSE_WAIT | FIN_RECV | SYN_ACKED linger(false) |
| LAST_ACK | FIN_RECV | FIN_SENT linger(false) |
| CLOSING | FIN_RECV | FIN_SENT |
| FIN_WAIT_2 | SYN_RECV | FIN_ACKED |
| TIME_WAIT | FIN_RECV | FIN_ACKED |
| RESET | ERROR | ERROR linger(false) active(false) |
| CLOSED | FIN_RECV | FIN_ACKED linger(false) active(false) |
不同于主动关闭和被动关闭的策略，当连接双方同时发送 fin 时，二者都会进入 CLOSING 状态，并等待对方发送的 ack 包。
TCP Conection
每一个 TCPConnection 会作为一个实体与另外一个 TCPConnection 进行交互。
active / linger_after_streams_finish
active 和 _linger_after_streams_finish
active 和 linger_after_streams_finish 作为实验中给出的两个 TCP Connection 的参数，在刚开始并不易理解其作用。同时二者均为决定当前状态的重要参数，故在实验中，需要对这两个变量有清晰的定位以及及时设置的意识。
active 的作用是标志当前 TCP Connection 是否 可用/活跃。在其被创建时，active 默认被置为 true，则此时处于 LISTEN 状态。当且仅当状态为 RESET 或 CLOSED 时，active == false
linger_after_streams_finish
在释放连接时，主动方和被动方分别采取被主动关闭和被动关闭的策略，通过 _linger_after_streams_finish 进行区分。
当 _linger_after_streams_finish = true 时，TCP Connection 在发送完最后一个 ACK 包后，会等待 10*_cfg.rt_timeout 时间再关闭，被称为 主动关闭 ；相反，_linger_after_streams_finish = false 时，为 被动关闭，TCP Connection 会在发送 fin 并接收到对应的 ack 后关闭连接。
与其他层的交互
- input
end_input_stream: sender 数据流输入结束tick: 时间记录write: 写入 sender 待传输的数据- ...
- output
inbound_stream: 传输 receiver 接收到的数据- ...
flowchart LR Application-Layer subgraph Transport-Layer sender receiver end Application-Layer --> |write| sender Application-Layer --> |end_input_stream| sender receiver --> |inbound_stream| Application-Layer Network-Layer Network-Layer --> |datagram|sender receiver --> |datagram|Network-Layer
实验环境
CS144 实验环境的配置有多种选择，一种是使用官方提供的虚拟机，也可以在自己的 wsl 等本地环境中进行配置。
官方虚拟机
- 虚拟机：Oracle VM VirtualBox
- 目录挂载
- 端口配置
- 代码编辑环境：VSCode + Remote SSH + Clangd
自行配置
在 WSL 下，网络通信有些问题，会导致 wget 超时。
# 加载编译环境
$ sudo apt-get install doxygen
$ sudo apt-get install libpcap-dev
总结
本次实验是计算机网络课改班的 Lab2、Lab3、Lab4、Lab5。其中 Lab2 做了环境配置和 wget 代码的撰写，Lab3 完成了网络层的功能，Lab4 完成了传输层 TCP 的 Receiver 以及 Sender，Lab5 的 TCP Connection 将 Lab4 的功能模块连了起来并能够进行真实的网络通信，为 Lab2 的 wget 提供算法支撑。
网上许多同学评价 CS144 Lab5 TCP Connection 是最难实现的，因为它涉及前面的诸多内容，之前没发现的 bug 在这次实验中可能会被发现。在指导手册中，作者建议学生不要去看测试样例的源码，因为它会让我们进行面向数据测试点的 debug，而不是整体逻辑上自洽的修改虽然大部分的 bug 我也是面向测试点才发现的。这里也给出几个 debug 的建议：
- 深入理解状态机。本次实验，状态机是重中之重，理解状态机每一步的变化，会对代码编写以及后续的 debug 流程带来很大的帮助。
- 根据报错信息进行演绎，并发现代码的逻辑错误。因为大部分情况下，测试样例给出的报错信息已经足够详尽，以支撑我们在一个较高的角度理解测试样例做了什么，我们的代码在哪里出了问题。
- 辅助使用 TCPState 进行状态判断。TCP 实现的难点其实也在状态机的状态切换，与其对 sender 和 receiver 里各种对象进行调试，不如使用 TCPState 中封装好的判断逻辑。
这次实验还是颇有收获的，具体列在下面：
- 学习了先进的 C++ 语法：相比于之前的类 C 编程，这次的实验让我认识到了 C++ 的强大之处。辅助 clangd 优秀的语法检查机制，在编译时不再出现上百个报错。
- 熟悉 cmake / c++ 工程代码的调试：很多编程实验以及工程项目都采取了 cmake 的跨平台编译方式，这次的实验也使我更加熟悉其原理。
- 熟悉 TCP 传输规则：TCP 的三次握手、四次挥手，以及状态机的变换。
- 提升开发平台性能很关键：对于每次 debug 都要重新编译的情况，首先要考虑提高编译速度，这样在 debug 是思路更加连贯，效率会高上好几倍。