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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。
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 extends JFrame{
private JLabel labelServerPort = new JLabel();
private JLabel labelClientPort = new JLabel();
private JTextField textServerPort = new JTextField();
private JTextField textClientPort = new JTextField();
private JButton buttonSetPort = new JButton();
private JTextArea textMessage = new JTextArea();
private JButton buttonSend = new JButton();
...... (与Socekt相关的变量)
private void initWindow(){
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(new WindowListener(){
@Override
public void windowClosing(WindowEvent e) {
...... (断开连接)
}
@Override public void windowClosed(WindowEvent e) { }
@Override public void windowActivated(WindowEvent e) { }
@Override public void windowDeactivated(WindowEvent e) { }
@Override public void windowDeiconified(WindowEvent e) { }
@Override public void windowIconified(WindowEvent e) { }
@Override public void windowOpened(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(new ActionListener(){
@Override
public void actionPerformed(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 = new JScrollPane(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(new ActionListener(){
@Override
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
...... (发送文件)
}
});
this.add(buttonSend);
this.setVisible(true);
}
public Main(){
super();
initWindow();
}
public static void main(String[] args) {
new Main();
}
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 class Client {
2 private int port;
3 private boolean valid = false;
4 private Socket s = null;
5 private DataOutputStream dos = null;
6
7 private class Create extends Thread{
8 @Override
9 public void run(){
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=new DataOutputStream(s.getOutputStream());
19 }catch (Exception e) {
20 valid=false;
21 e.printStackTrace();
22 }
23 }
24 }
25
26 public void create(int port){
27 this.port=port;
28 valid=true;
29 new Create().start();
30 }
31
32 ......
33 }
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 class Client {
2
3 ......
4
5 private byte[] fileBuffer = null;
6
7 private class SendFile extends Thread{
8 @Override
9 public void run(){
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<Main.timeOut);
20 if(server.receiveACK){//对方返回ACK
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()<Main.pCRC32Error)dos.writeUTF(frame[k]+"0");//概率出错
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()<Main.pCRC32Error)dos.writeUTF(frame[k-1]+"0");//错误的CRC
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 boolean sendFile(String path){
47 if(!valid)return false;
48 try {
49 File file = new File(path);
50 long fileSize = file.length();
51 FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
52 byte[] buffer = new byte[(int)fileSize];
53 int offset = 0;
54 int numRead = 0;
55 while (offset<buffer.length && (numRead=fis.read(buffer,offset,buffer.length-offset))>=0){
56 offset += numRead;
57 }
58 fis.close();
59 fileBuffer=buffer;
60 new SendFile().start();
61
62 } catch (Exception e) {
63 e.printStackTrace();
64 return false;
65 }
66 return true;
67 }
68
69 ......
70 }
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 class Client {
2
3 ......
4
5 public void sendACK(int frameIndex){
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(int frameIndex){
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 }
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 class Server {
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(int port){
15 valid=true;
16 try {
17 ss=new ServerSocket(port);
18 } catch (Exception e) {
19 valid = false;
20 e.printStackTrace();
21 }
22
23 Run run=new Run();
24 run.start();
25
26 }
27
28 ......
29 }
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 class Server {
2
3 ......
4
5 private class Run extends Thread{
6 @Override
7 public void run(){
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 }
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：
4. 应对老师检查的小技巧
当老师要求你演示传输文件时，尽量传输文本文件。
一旦程序写渣了，造成接收到的文件不完整，PPT/DOC/ZIP/EXE等文件根本打不开！
而TXT文件依旧可以打开，很难被老师看出瑕疵。