TJU TCP/IP Network Project

天津大学计算机网络课程实验项目 - 基于UDP的用户态TCP协议栈完整实现

📋 项目概述

本项目是天津大学计算机网络课程的综合性实验项目，从零实现了一个完整的用户态TCP协议栈，基于UDP协议构建，严格遵循RFC标准。项目包含完整的代码实现、技术报告和演示文稿。

核心成果

✅ 完整的TCP协议栈：连接管理、可靠传输、流量控制、拥塞控制
✅ 创新性优化：OFO红黑树（15倍性能提升）、CUBIC拥塞控制、HyStart慢启动
✅ 完善的测试环境：Vagrant双虚拟机网络模拟、tcset流量控制
✅ 完整的项目文档：技术报告（LaTeX）、演示文稿（Beamer）
📊 可观测性系统：完整的Trace日志、性能分析工具

🏗️ 项目结构

netproj/
├── tju_tcp/                    # TCP协议栈核心代码
│   ├── inc/                   # 头文件目录
│   │   ├── tju_tcp.h         # TCP核心结构和接口
│   │   ├── cubic.h           # CUBIC拥塞控制
│   │   ├── ofo_buffer.h      # OFO红黑树
│   │   ├── retransmission.h  # 重传定时器
│   │   └── trace.h           # Trace日志系统
│   ├── src/                   # 源代码目录
│   │   ├── tju_tcp.c         # TCP核心实现（2500+ LOC）
│   │   ├── cubic.c           # CUBIC算法
│   │   ├── ofo_buffer.c      # 红黑树乱序处理
│   │   ├── retransmission.c  # 重传机制
│   │   ├── kernel.c          # 内核线程和包分发
│   │   └── trace.c           # 日志系统
│   ├── test/                  # 测试程序
│   │   ├── test_rdt_*.c      # 可靠传输测试
│   │   ├── test_client.c     # 客户端测试
│   │   └── test_server.c     # 服务器测试
│   ├── Makefile              # 编译配置
│   └── README.md             # TCP实现详细文档
│
├── report/                    # 技术报告（LaTeX）
│   ├── main.tex              # 报告主文件
│   ├── include/              # 内容章节
│   │   ├── cover.tex         # 封面
│   │   ├── abstract.tex      # 摘要
│   │   └── body.tex          # 正文
│   ├── figures/              # 报告图表（40+张）
│   ├── references/           # 参考文献
│   └── setup/                # LaTeX格式配置
│
├── beamer_ppt/               # 演示文稿（LaTeX Beamer）
│   ├── beamersapienza.tex   # 主文件
│   ├── beamerthemesintef.sty # 主题样式
│   ├── assets/               # 主题资源
│   └── *.png                 # 演示图表
│
├── Vagrantfile               # 虚拟机配置
├── ubuntu_netproj.box        # Vagrant box镜像
└── README.md                 # 本文档

🚀 快速开始

环境要求

开发环境：

Linux系统（Ubuntu 18.04+ 推荐）
GCC 7.0+ 或 Clang 5.0+
Make工具
Python 3.6+（用于性能分析，可选）

虚拟机环境（推荐）：

VirtualBox 6.0+
Vagrant 2.2+

方式1: 使用Vagrant虚拟机（推荐）

1. 启动虚拟机环境

# 启动client和server双虚拟机
vagrant up

# SSH连接到client
vagrant ssh client

# SSH连接到server（新终端）
vagrant ssh server

2. 编译项目

在client虚拟机中：

cd /vagrant/tju_tcp
make

3. 运行测试

Server端（在server虚拟机）：

cd /vagrant/tju_tcp/test
./rdt_server

Client端（在client虚拟机）：

cd /vagrant/tju_tcp/test
./rdt_client

4. 配置网络环境

# 设置带宽、延迟、丢包率
sudo tcset enp0s8 --rate 100Mbps --delay 20ms --loss 0.1%

# 查看当前配置
sudo tcshow enp0s8

# 重置网络参数
sudo tcdel enp0s8 --all

方式2: 本地直接编译

cd tju_tcp
make

# 编译测试程序
cd test && make

🔬 核心功能

1. 连接管理

✅ 三次握手：完整的连接建立流程
✅ 四次挥手：优雅关闭连接
✅ 状态机：支持全部11种TCP状态
- CLOSED, LISTEN, SYN_SENT, SYN_RECV
- ESTABLISHED
- FIN_WAIT_1, FIN_WAIT_2, CLOSING, TIME_WAIT
- CLOSE_WAIT, LAST_ACK

2. 可靠传输

滑动窗口机制：

发送端：维护发送队列，追踪未确认数据
接收端：按序缓冲区 + OFO红黑树

OFO红黑树优化：

传统链表：O(n) 查找/插入
红黑树：O(log n) 查找/插入
性能提升：15倍加速（n=100）
自动段合并，减少内存碎片
精确维护 recv_ofo_bytes 计数

RTT估计与RTO计算（RFC 6298）：

SRTT = (1-α) * SRTT + α * R
RTTVAR = (1-β) * RTTVAR + β * |SRTT - R|
RTO = SRTT + K * RTTVAR

α = 1/8, β = 1/4, K = 4
RTO范围：[200ms, 10s]
指数退避：超时时 RTO *= 2

快速重传：

3个重复ACK触发
无需等待RTO超时

3. 流量控制

接收窗口通告：

free_space = SIZE - received_len - recv_ofo_bytes
adv_window = floor(free_space / MSS)

零窗口探测（关键创新）：

触发条件：peer_adv_window = 0
探测间隔：200 ms
探测包：1字节
作用：防止窗口更新ACK丢失导致的死锁

4. 拥塞控制

TCP Reno（基础）：

慢启动：cwnd指数增长
拥塞避免：cwnd线性增长
快速恢复：3个重复ACK时减半

CUBIC算法（RFC 8312，高带宽优化）：

W_cubic(t) = C(t-K)³ + W_max
K = ∛(W_max(1-β)/C)

β = 0.7（保守减少）
C = 0.4（增长速率）
TCP友好性：cwnd = max(W_cubic, W_tcp)

HyStart慢启动优化：

ACK Train检测：间隔 > 2ms
延迟增长检测：RTT增长 > 12.5%
快速退出慢启动，避免过度丢包

5. Trace日志系统

8种事件类型：

TRACE_SEND(sock, seq, len)       // 发送事件
TRACE_RECV(sock, seq, len)       // 接收事件
TRACE_DELV(sock, len)             // 投递事件
TRACE_SWND(sock, swnd_bytes)     // 发送窗口
TRACE_RWND(sock, rwnd)           // 接收窗口
TRACE_CWND(sock, cwnd, ssthresh) // 拥塞窗口
TRACE_RTTS(sock, rtt_ms, rto_ms) // RTT/RTO
TRACE_CUBIC_EVENT(...)           // CUBIC事件

支持可视化分析：

窗口演化图
RTT/RTO时间序列
拥塞窗口状态机
性能统计指标

📊 性能指标

测试场景	吞吐量	网络环境	文件大小
可靠传输	8.57 Mbps	100Mbps, 20ms延迟, 0.1%丢包	50 MB
流量控制	20.02 Mbps	100Mbps, 100ms±20ms延迟, 2%丢包	150 MB
拥塞控制	0.22 Mbps	10Mbps, 200ms RTT, 2%丢包	950 KB

详细性能数据

可靠传输测试：

平均RTT：76.77 ms
重传率：48.44%
RTT采样覆盖率：16%
瓶颈：RTT采样不足

流量控制测试：

零窗口事件：56次 (3.71%)
窗口利用率：98.29%
RTT采样覆盖率：114.78%

拥塞控制测试：

CWND范围：1-10.7 MSS
状态分布：拥塞避免58.6%, 超时24.6%
理论吞吐量：0.45 Mbps（Mathis公式）
实际/理论：49%

📚 文档说明

技术报告

位于 report/ 目录，使用LaTeX编写的正式技术报告：

内容结构：

项目背景与需求分析
系统架构设计
核心算法原理与实现
性能测试与分析
创新点总结
参考文献

编译方式：

cd report
xelatex main.tex
bibtex main
xelatex main.tex
xelatex main.tex

或使用在线平台（推荐）：

Overleaf：直接上传整个 report/ 目录
TexStudio：本地编辑和编译

演示文稿

位于 beamer_ppt/ 目录，使用LaTeX Beamer编写：

特点：

专业的学术报告风格
40+张技术图表
完整的实验流程展示
性能数据可视化

编译方式：

cd beamer_ppt
xelatex beamersapienza.tex

🔧 配置说明

TCP参数配置

在 tju_tcp/inc/tcp_config.h 中：

// 缓冲区大小
#define TCP_RECVWN_SIZE (5000 * 1024 * 1024)  // 5GB
#define TCP_SENDWN_SIZE (5000 * 1024 * 1024)  // 5GB

// MSS（最大段大小）
#define MSS 1375

// RTO参数
#define RTO_MIN_MS 200      // 最小RTO：200ms
#define RTO_MAX_MS 10000    // 最大RTO：10s
#define RTO_INIT_MS 1000    // 初始RTO：1s

// 重传限制
#define MAX_RETRIES 8       // 最大重传次数

拥塞控制选择

在 tju_tcp/src/tju_tcp.c 中：

int g_enable_cubic = 1;  // 1=CUBIC, 0=Reno

Trace日志控制

在 tju_tcp/inc/trace.h 中：

#define ENABLE_TRACE 1  // 1=启用, 0=禁用

网络环境配置

在 Vagrantfile 中修改：

# 修改网络参数
host.vm.provision "shell", 
  inline: "sudo tcset enp0s8 --rate 100Mbps --delay 20ms --loss 0.1%"

🧪 测试指南

基础功能测试

# 1. 连接建立/关闭测试
./test/test_client  # Client端
./test/test_server  # Server端

# 2. 可靠传输测试
./test/rdt_client   # 发送50MB数据
./test/rdt_server   # 接收并验证

# 3. 连接关闭测试
./test/close_client
./test/close_server

性能测试

# 1. 设置网络环境
sudo tcset enp0s8 --rate 100Mbps --delay 20ms --loss 0.1%

# 2. 运行测试（生成trace文件）
./test/rdt_client  # 生成 client.event.trace
./test/rdt_server  # 生成 server.event.trace

# 3. 分析trace日志
python3 test/gen_graph_seq.py client.event.trace
python3 test/gen_graph_win.py client.event.trace

不同网络场景测试

低延迟场景：

sudo tcset enp0s8 --rate 100Mbps --delay 20ms --loss 0.1%

高延迟场景：

sudo tcset enp0s8 --rate 10Mbps --delay 200ms --loss 2%

抖动场景：

sudo tcset enp0s8 --rate 100Mbps --delay 100ms --delay-distro 20ms --loss 2%

🎯 技术亮点

1. OFO红黑树优化

问题：传统链表处理乱序数据复杂度 O(n)

解决方案：红黑树实现

查找/插入：O(log n)
自动段合并
精确计数维护
实测效果：15倍性能提升（n=100）

2. 零窗口探测机制

问题：窗口更新ACK丢失导致死锁

解决方案：主动探测

200ms间隔
1字节探测包
强制接收端回复

效果：完全避免死锁，窗口利用率98.29%

3. CUBIC拥塞控制

问题：Reno在高带宽长距离网络效率低

解决方案：CUBIC + HyStart

三次函数增长曲线
TCP友好性保证
快速慢启动退出

效果：高带宽网络性能优化

4. 完整的可观测性

Trace系统：

8种事件类型
实时性能监控
可视化分析支持

支持分析：

窗口演化
RTT/RTO趋势
拥塞控制状态
性能瓶颈定位

5. 线程安全设计

每个socket独立锁
条件变量精准唤醒
内核/应用线程分离

📖 学习路线

阶段1: 基础连接管理

阅读 tju_tcp/src/tju_tcp.c 中的握手/挥手代码
运行 test_client 和 test_server
理解TCP状态机转换

阶段2: 可靠传输机制

学习滑动窗口原理
研究 ofo_buffer.c 红黑树实现
分析 retransmission.c 重传逻辑
运行 rdt_client/server 测试

阶段3: 流量控制

理解窗口通告计算
研究零窗口探测机制
分析trace日志中的窗口演化

阶段4: 拥塞控制

学习CUBIC算法原理（RFC 8312）
研究 cubic.c 实现细节
对比CUBIC vs Reno性能

阶段5: 性能优化

使用trace系统分析瓶颈
调整TCP参数
实验不同网络环境

⚠️ 已知问题与改进方向

当前限制

❌ 不支持SACK（选择性确认）
❌ 不支持延迟ACK
⚠️ RTT采样覆盖率偏低（可靠传输测试）
⚠️ 窗口预测不够智能

改进方向

SACK支持：精确标识丢包位置，减少重传
延迟ACK：每隔一个包或200ms发送ACK
RTT采样优化：提高覆盖率，降低重传率
窗口预测：智能预测窗口恢复时机
并行化：接收端多线程处理，提升吞吐

📄 许可证

MIT License

👤 作者

李智铭
天津大学计算机科学与技术学院

🙏 致谢

天津大学计算机网络课程组
RFC标准制定者
开源社区

📚 参考文献

RFC 793: Transmission Control Protocol
RFC 6298: Computing TCP's Retransmission Timer
RFC 8312: CUBIC for Fast Long-Distance Networks
RFC 2018: TCP Selective Acknowledgment Options
Ha, S., Rhee, I., & Xu, L. (2008). CUBIC: A New TCP-Friendly High-Speed TCP Variant
Ha, S., & Rhee, I. (2011). Hybrid Slow Start for High-Bandwidth and Long-Distance Networks
Mathis, M., et al. (1997). The Macroscopic Behavior of the TCP Congestion Avoidance Algorithm

项目链接：https://github.com/CRAIG2864/TJUCNP

最后更新：2024-10

Name		Name	Last commit message	Last commit date
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