计算机实验三：Rdt协议对比

一、实验目的
二、实验原理
- 1.Rdt1.0：在可靠信道上进行数据传输
- 2.Rdt2.0：有差错检测的传输信道
- 3.Rdt2.1：解决Rdt2.0中ACK/NAK丢失的问题
- 4.流水线协议——解决低效问题
三、实验步骤及分析
- (一)实验前准备
- (二)实验步骤
- - 1.在某个协议中，分别测试有效负载和超时时间间隔、丢包率、校验和错误率的关系，并得出结论。
  - 2.详细比较协议5和协议6在每秒有效载荷和重传次数方面的性能
  - 3.pick_event()函数具有内置的事件优先级，对于协议5，更改这些优先级，你能得到什么结论？
  - 4.调查重传帧的数量与超时时间关系
  - 5.当两个进程在时钟上被阻塞时，更改模拟器以更快地提前时间。
  - 6.在目前的模拟器中，数据包的传递基本上是即时的。
四、实验总结

simulator代码链接：https://pan.baidu.com/s/1fPzYqNrkmbba-vwu3bbO8w?pwd=cxg3
提取码：cxg3

一、实验目的

熟悉并掌握各种不同rdt协议的运行环境和协议性能。

二、实验原理

1.Rdt1.0：在可靠信道上进行数据传输

所依赖的信道非常可靠：不可能有位错，不会丢失数据；
分别为发送方和接收方建立FSMs：发送方将数据送入所依赖的信道，接收方从所依赖的信道读出数据。

2.Rdt2.0：有差错检测的传输信道

问题：如何从错误中恢复
正向确认 (ACKs)：由接收方发送报文向发送方进行确认
负向确认 (NAKs)：由接收方发送报文向发送方进行否认，说明分组有错
发送方在收到NAK后进行分组重传，依靠错误检测；接收方的反馈：控制信息 (ACK，NAK)。

3.Rdt2.1：解决Rdt2.0中ACK/NAK丢失的问题

Rdt2.0 的缺点——ACK/NAK 报文丢失
发送方将不会知道接收端发生了什么，假如进行重传：可能发生数据重复。
发送方，管理丢失的 ACK/NAK，接收方，管理丢失的 ACK/NAK；接收方丢弃重复的分组（不向上递交），如果ACK/NAK丢失，发送方则重传正确的分组，发送方给每个分组加上序号。

4.流水线协议——解决低效问题

流水作业：发送端允许发送多个分组，等待应答。必须增加顺序号的位数，在发送和接收端增加缓存。两种常用的流水线协议：回退N重传 (go-Back-N)，选择重传（Select Retransmit）。

GBN：Go-Back-N
发送方：使用尺寸为N的“滑动窗口”w，可以同时及发送w个报文。
“回退n”协议的基本特点：发送方连续发送许多数据帧，接收方只接收一帧，即只能顺序接收，发送方发送的帧需要不同的编号来区分，发送方要有较大的发送缓冲区来保留可能重发的帧。
优点：连续发送提高了信道利用率，误码率较低时，连续ARQ优于停等协议。
缺点：要回退n帧重传，导致某些已正确接收帧的重传，因此降低了发送效率。
SR：Selective Repeat
发送方仅对未收到应答的分组进行重发，发送方对每个未确认分组设置计时器；发送方的窗口，N个连续的seq，同样对已发送的分组，未确认分组进行限制；接收方逐个对所有正确收到的分组进行应答，对失序到达分组进行缓存。
优点：避免重传已正确传送的帧，提高了信道利用率。
缺点：在接收端需要占用一定容量的缓存，控制较复杂。

三、实验步骤及分析

(一)实验前准备

1.打开虚拟机ubuntu，并将实验文件simulator复制到ubuntu中。
2.了解simulator模拟的几种rdt协议。simulator中有p2.c—p6.c 五个文件是描述协议的：
p2.c是可靠信道的停等协议，设置有限的buffer和有限的处理速度；
p3.c在比特差错会丢包信道上单工停等协议；
p4.c是一位的滑动窗口协议；
p5.c是GBN协议；
p6.c是SR协议。
3.阅览文件README了解实验要求。
Simulator可以通过make命令编译，运行协议，完成 sinulator 文件夹中的 exercises 文件中的作业。
4.编译时需要输入的指令

sim protocol events timeout pct_loss pct_cksum debug_flags

这六个参数分别是：协议、时间片、超时间隔、丢包率、检验和错误率、错误标记
例如：输入： ./sim 5 1000 20 0 0 0 （运行协议5，时间片设置为1000，超时间隔为20，无丢包、无检验码错误）
5.实验需要回答的问题：
在exercises中共6个问题，下面围绕这六个问题进行实验。

(二)实验步骤

1.在某个协议中，分别测试有效负载和超时时间间隔、丢包率、校验和错误率的关系，并得出结论。

(1)编译：

cd simulator （打开simulator文件）， make （编译）。

(2)运行过程:

./sim  protocol  events  timeout  pct_loss  pct_cksum  debug_flags

输入： ./sim 5 1000 20 0 0 0 （运行协议5，时间片设置为1000，超时间隔为20，无丢包、无检验码错误），得到下图：

图中，process1有两段信息（发送信息、接收信息）；process 0同理；特别注意，这是一个双向传输，所以，process1的发送信息对应process0的接收信息，process0的发送信息对应process1的接收信息。

(3)首先测试有效负载和超时时间间隔的关系，运行协议5，1000个时间片，无丢包，无校验和错误
结果如下表所示：

timeout	Payloads accepted	Total data frames sent	Efficiency
10	7	630	1%
20	102	237	48%
30	196	217	90%
40	195	202	97%
50	179	180	99%
60	187	188	99%
70	186	189	99%
80	184	185	99%

（注：实验选取了process0的Payloads accepted和process 1的Total data frames sent）
结论：由表中的测试数据可以看出，有效负载在超时时间间隔为30的时候最大，为196。因为时间间隔小于30的时候，重传的比较多，导致有效少，当时间间隔大于30的时候，虽然没有重传，但是时间间隔大，发送一个数据后等待的时间过长，导致发送的总的数据减少；但是显然，超时时间间隔越大，其Efficiency(Payloads accepted/ Total data frames sent)也越大，因为此时重传比较少，发送的数据几乎都能接受到。

(4)测试有效负载和丢包率的关系，运行协议5，1000个时间片，超时时间间隔为50，无校验和错误
结果如下表：

Lost packet rate	Payloads accepted	Total data frames sent	Efficiency
10	102	179	55%
20	65	170	36%
30	41	179	23%
40	26	159	16%
50	15	151	10%
60	12	152	8%
70	8	149	5%

结论：丢包率越高，收到的有效负载就越少，数据重传越多，超时状况也越多，传输效率越低。
部分截图(10%丢包率)如下：

(5)测试有效负载与校验和错误率的关系，运行协议5，1000个时间片，超时间隔为50，无丢包，
结果如下表所示：

Lost packet rate	Payloads accepted	Total data frames sent	Efficiency
10	98	175	57%
20	54	166	37%
30	56	168	28%
40	35	154	21%
50	17	150	11%
60	10	148	5%

结论：较验和错误率越高，收到的有效负载越少，传输效率越低。
部分截图如下：

2.详细比较协议5和协议6在每秒有效载荷和重传次数方面的性能

协议5为回退N步，协议6为选择重传
运行：

./sim 5 1000 50 0 0 0和./sim 6 1000 50 0 0 0

协议	Protocols 5	Protocols 6
Total data frames sent	193	167
Payloads accepted	193	167
Frames retransmitted	0	0
Efficiency	99%	99%

运行：./sim 5 1000 50 10 10 0和./sim 6 1000 50 10 10 0

协议	Protocols 5	Protocols 6
Total data frames sent	175	125
Payloads accepted	88	88
Frames retransmitted	84	24
Efficiency	41%	67%

结论：当网络都处于理想状况时，即都没有丢包和校验和错误时，两个协议的性能差不多；而当网络状况越差，协议6的重传、有效负载比协议5小，所以协议6的性能较好。
原因：协议5为回退N步，接收方不存储无序的分组，即使分组是正确的，如果其前一分组未到达，则将其丢弃，如此会增加重传的可能；而协议6为选择重传，即接收方会接收并缓存无序的分组，直到其前面的分组到达再一起上传给上层，如此可减少重传的可能。所以协议5适合运行在网络状况较好的情况下，丢包率和出错率较小的时候，重传几率较小，传输速率较快。而如果网络状况不佳，会出现大量重传，协议5会丢弃大量无序的且正确的分组，会带来更多的重传。而协议6只需重传丢失的分组，在网络状况较差时，效果会非常显著。

3.pick_event()函数具有内置的事件优先级，对于协议5，更改这些优先级，你能得到什么结论？

问题说明：在函数pick_event中，改变协议5中几个事件（数据到达、超时处理、网络层准备等）的处理顺序，可以得出什么结论。
pick_event函数说明：

进行测试的顺序非常重要，因为它将某些事件优先于其他事件。例如，对于协议3和4，帧将在导致超时之前发送。
仅考虑协议5，因此只需要写case 5的各种顺序case即可。
（注：每次顺序做调整后，重新进行编译再运行）

(1)顺序1：网络层准备、数据到达、校验和检验、超时处理

得表格如下：

(2)顺序2：网络层准备、超时处理、数据到达、校验和检验

得表格如下：

(3)顺序3：超时处理、网络层准备、数据到达、校验和检验

得表格如下:

上述的超时时间间隔、时间片均相同。
结论：通过上面三个表格的对比，可以看出在相同的条件下，当顺序为网络层准备、数据到达、校验和检验、超时处理时，得到的有效负载最大、重传次数最少。

4.调查重传帧的数量与超时时间关系

题意：观察超时间隔变化和数据重传数量的关系，并得出最佳设置值。
测试超时时间间隔和重传的关系，运行协议5，1000个时间片，无丢包，无校验和错误
得表格如下：

timeout	Payloads accepted	Total data frames sent	retransmitted frames
10	7	630	623
20	137	275	133
30	188	209	21
40	188	190	0
50	185	186	0
60	182	183	0

结论：从表格中可以看出，当设置超时间隔为大于40左右时，重传数据降为0，而当设置超时间隔为50时，efficiency达到99%-100%。

5.当两个进程在时钟上被阻塞时，更改模拟器以更快地提前时间。

题意：目前，模拟器的时间是一滴答一滴答地前进。如果两个进程都在远程超时时被阻塞，那么这个进程就会变慢。当两个进程在时钟上被阻塞时，更改模拟器以更快地提前终止。

在sim.c中可以看到如上代码，表示simulation程序的主要循环过程；
Last_tick就是sim的第二个参数时间片总长。

①这里随机生成一个数和1做与运算（即选择一个进程来进行运行，模拟进程的调度）；
② 修改tick，模拟器的时间前进，这里看到每次将tick更新为加delta，在common.h中发现delta定义为10。
③根据反馈的信息word，如果是NOTHING说明需要让当前进程hanging时间加上delta，如果改值大于阈值DEAD_LOAD，那么说明该进程死锁；

解决方式：
第一步，在common.h中添加一个标志，用于标识是否两个进程都死锁。

第二步，当判断两个进程都死锁，那么将该标志置位。
初始化：

置位：

第三步，在worker.c中对于超时检测增加判断条件，即该标志检查。

如果死锁的标记被修改为1，发生死锁，等同于超时，重新发送消息，解除当前的死锁情况。
注意：不能忘记将该标志重置为0。

6.在目前的模拟器中，数据包的传递基本上是即时的。

题意：更改数据包的即时传递，以便交付时间是可变的，用户可以设置。差异如何影响协议性能?
(1)思路：
考虑到可以使得交付时间随用户设置而变化，增加一个输入变量，修改delta，就需要在common.h中将delta由原来的常量修改为变量，同时在sim.c中，将delta设为输入的最后一个变量。
然而，由于deadblock的值是关于delta的函数：

因此，我们直接修改delta相当于同时修改了两个值，那么在我们的结果中这个修改的delta将无法产生任何改变，需要取消掉这个关系；

(2)解决方案：
第一步，我们应该首先将deadlock和delta的关系取消掉，即将timeout_interval的delta为一个定值，这里改为默认的10：

第二步，将delta设置为变量，这样可以保证用户可以修改：

第三步，将delta作为最后一个参数，如果没有则默认为10：
Main函数中初始化DELTA：

修改两处，第一处表示参数个数必须大于等于7个，如果是八个则代表用户输入了DELTA来进行改变。

四、实验总结

这次实验是要验证rdt协议的一些性质和影响因素，重新复习了一下几种协议，包括他们的优缺点和特性等等。
实验过程中前面几题都比较简单，五六题相对来说更难一点，要阅读源码还要修改源码，尤其是最后一题真的是改的懵懵懂懂，参考了一下网上的答案之后加入了自己的想法。总体来说通过实验的方式模拟实现了几种协议的表现状况，给了我们数据化的具体表示，更能比较出它们的区别。

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