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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 extendsJFrame{private JLabel labelServerPort = newJLabel();private JLabel labelClientPort = newJLabel();private JTextField textServerPort = newJTextField();private JTextField textClientPort = newJTextField();private JButton buttonSetPort = newJButton();private JTextArea textMessage = newJTextArea();private JButton buttonSend = newJButton();

...... (与Socekt相关的变量)private voidinitWindow(){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(newWindowListener(){

@Overridepublic voidwindowClosing(WindowEvent e) {

...... (断开连接)

}

@Overridepublic voidwindowClosed(WindowEvent e) { }

@Overridepublic voidwindowActivated(WindowEvent e) { }

@Overridepublic voidwindowDeactivated(WindowEvent e) { }

@Overridepublic voidwindowDeiconified(WindowEvent e) { }

@Overridepublic voidwindowIconified(WindowEvent e) { }

@Overridepublic voidwindowOpened(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(newActionListener(){

@Overridepublic voidactionPerformed(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= newJScrollPane(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(newActionListener(){

@Overridepublic voidactionPerformed(ActionEvent e) {

...... (发送文件)

}

});this.add(buttonSend);this.setVisible(true);

}publicMain(){super();

initWindow();

}public static voidmain(String[] args) {newMain();

}

View Code

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 classClient {2 private intport;3 private boolean valid = false;4 private Socket s = null;5 private DataOutputStream dos = null;6

7 private class Create extendsThread{8 @Override9 public voidrun(){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=newDataOutputStream(s.getOutputStream());19 }catch(Exception e) {20 valid=false;21 e.printStackTrace();22 }23 }24 }25

26 public void create(intport){27 this.port=port;28 valid=true;29 newCreate().start();30 }31

32 ......33 }

View Code

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 classClient {2

3 ......4

5 private byte[] fileBuffer = null;6

7 private class SendFile extendsThread{8 @Override9 public voidrun(){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

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()

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()

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 booleansendFile(String path){47 if(!valid)return false;48 try{49 File file = newFile(path);50 long fileSize =file.length();51 FileInputStream fis = newFileInputStream(file);52 byte[] buffer = new byte[(int)fileSize];53 int offset = 0;54 int numRead = 0;55 while (offset=0){56 offset +=numRead;57 }58 fis.close();59 fileBuffer=buffer;60 newSendFile().start();61

62 } catch(Exception e) {63 e.printStackTrace();64 return false;65 }66 return true;67 }68

69 ......70 }

View Code

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 classClient {2

3 ......4

5 public void sendACK(intframeIndex){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(intframeIndex){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 }

View Code

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 classServer {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(intport){15 valid=true;16 try{17 ss=newServerSocket(port);18 } catch(Exception e) {19 valid = false;20 e.printStackTrace();21 }22

23 Run run=newRun();24 run.start();25

26 }27

28 ......29 }

View Code

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 classServer {2

3 ......4

5 private class Run extendsThread{6 @Override7 public voidrun(){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 }

View Code

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：