【斯坦福计网CS144】Lab5终结笔记

目录结构

⛳️1. 斯坦福大学计网实验室

1.1 斯坦福大学之CS144

1.2 CS144实验室之Lab5

⛳️2. Lab0

2.1 实验目的

2.2 实验说明

2.3 实验内容

2.4 实验体会

📝总结

🔥后续实验：【斯坦福计网CS144】Lab6终结笔记

🔥官方文档：lab0-lab7官网解析pdf.zip

🔥源码资源：斯坦福CS144-lab5解决源码(亲测有效！！！)

⛳️1. 斯坦福大学计网实验室

1.1 斯坦福大学之CS144

在斯坦福大学，CS144是网络世界的大门。这门课程不仅传授网络系统的根基原理和框架，更是探索计算机网络核心概念的摇篮。IP、TCP、路由，这些网络骨架的秘密将被揭示，而学子们将会深入了解网络构建、管理和维护的神秘奥秘，以及数据在这个网络舞台上的华丽演绎。

CS144采用炼金术般的教学模式，融合理论授课、资料阅读、编程挑战和实验探索，助力学生深度探究计算机网络的魅力。这门课程要求学生进行一系列项目和作业，可能包括网络协议的创新设计、仿真模拟和深度分析，唤醒学子们将理论知识嵌入实际的巧思。

换而言之，CS144旨在孕育学生对计算机网络的深刻理解，为他们奠定构建、管理和优化网络系统的必备基石和技能。在这个网络狂潮中，CS144为学子们描绘出一幅璀璨的网络未来图景。

1.2 CS144实验室之Lab5

CS144的Lab5通常是关于网络传输控制协议（TCP）的实验。在这个实验中，学生们将深入探索TCP协议的工作原理、流量控制和拥塞控制机制。

实验内容包括：

1. 实现简单的TCP协议： 学生们被要求使用编程语言（如Python或者C++）实现一个简单的TCP协议栈，模拟TCP连接的建立、数据传输和连接关闭过程。这可能包括处理序列号、确认号、超时重传以及拥塞控制等功能。

2. 流量控制和拥塞控制实验： 学生们需要设计实验来观察和评估TCP协议中流量控制和拥塞控制算法的效果。他们可以通过模拟不同网络条件下的数据传输、改变窗口大小或者引入数据包丢失来评估TCP协议的性能。

3. 性能分析和比较实验： 实验任务之一是对比不同的TCP变种（如TCP Tahoe、Reno、NewReno等）在特定条件下的性能，了解它们在拥塞控制和流量控制方面的差异，并分析其优缺点。

这些实验有助于让学生们深入了解TCP协议的运作方式，并通过实践加深对网络传输控制的理解。他们将有机会通过实验验证理论概念，观察TCP协议在不同情境下的行为，从而更好地掌握网络协议的本质和运作机制。

⛳️2. Lab5

2.1 实验目的

1  实现一个简单的网络接口，将IP数据报以数据链路层以太网帧的形式进行转发

2  深入理解地址解析协议ARP

3  深入立即以太网帧的转发过程

2.2 实验说明

1  在lab5中，我们将使用堆栈实现一个网络接口:连接Internet数据报（在全球传播）和链路层以太网帧（单跳传播）。该接口可以作用于TCP/IP实现之下，但是当我们在实验室6中构建路由器时，也可以将该组件在网络接口之间传递路由数据报。

2  在lab0、1、2、3、4中，我们编写了一个TCP实现，它可以成功地与使用TCP的任何其他计算机交换TCP段。但是，这些TCP段是如何传递到对等的TCP实体上的？实际上，这个实现有几种选择：

（1）TCP-in-UDP-in-IP。TCP段可以携带在用户数据报的数据负载中。例如，Linux中提供了一个接口(UDPSocket)，它允许应用程序只提供用户数据报的有效负载和目标地址，内核负责构造UDP头、IP头和以太网头，然后将数据包发送到适当的下一跳。内核确保每个套接字都有本地和远程地址、端口号的唯一组合。由于是内核将这些写入UDP和IP头，所以它可以隔离不同的应用程序。

（2）TCP-in-IP。在通常的用法中，TCP段总是直接放在Internet数据报中，在IP和TCP报头之间没有UDP报头，这就是“TCP/IP”。这实现起来有点困难。Linux提供了一个称为TUN设备的接口，它允许应用程序提供整个Internet数据报，而内核负责其余的工作(写入以太网标头，并通过物理以太网卡实际发送，等等)。但是现在应用程序必须构造完整的IP头本身，而不仅仅是有效负载。实际上，lab4提供了一个表示Internet数据报并知道如何解析和序列化自身的对象(tcp helpers.{hh,cc})，和在IP中封装tcp段的逻辑(现在可以在tcp helpers/tcp over IP .cc中找到)。

（3）TCP-in-IP-in-Ethernet。在上述的几种方法中，我们仍然依赖Linux内核来实现部分网络栈。每当代码将IP数据报写入TUN设备时，Linux必须以IP数据报作为有效负载构造一个链路层以太网帧。这意味着Linux必须根据下一跳的IP地址计算出下一跳的以太网目的地址。如果它还不知道这个映射，Linux广播一个查询，问:“谁声明下面的IP地址?”你的以太网地址是什么?，然后等待回复。实际上，这些功能由网络接口执行:一个将出站IP数据报转换为链路层(如以太网)帧的组件，反之亦然。

3  在本周的实验中，我们将实现一个网络接口，

并将其放在TCP/IP栈的最底部。我们的代码将生成原始以太网帧，这些帧将通过一个称为TAP设备的接口传递给Linux——TAP设备。类似于TUN设备，但更低级，因为它交换原始链路层帧而不是IP数据报。大部分的工作是为每个下一跳的IP地址查找(和缓存)以太网地址。这方面的协议被称为地址解析协议(ARP)。

2.3 实验内容

1  实现网络接口

（1）输入命令”cd sponge/build”进入build目录，输入命令”git merge origin/lab5-startercode to date”获取实验源代码。输入命令”make”进行编译，编译结果如图6-1所示。

cd sponge/build
git merge origin/lab5-startercode to date

（2）输入命令” vim ../libsponge/network_interface.hh”进入文件并如图所示修改文件代码。代码源码见附录。

vim ../libsponge/network_interface.hh

（3）输入命令” vim ../libsponge/network_interface.cc”进入文件并如图6-3-6-4所示修改文件代码。代码源码见附录。

vim ../libsponge/network_interface.cc

（4）输入命令”make”进行编译，编译结果如图6-5所示。

make

（5）输入命令” make check_lab5”对lab5进行检查，检查结果如图6-6所示。可以看到，所有的测试样例都通过。

make check_lab5

2.4 实验体会

1  在lab5实验中，我们遇到的一个典型问题是：当系统在发送一个ARP request后，如果没有响应要五秒后重发，且在上一个请求被正常响应之前其他的请求都要排在后面。如果没有注意到这一点就可能导致最后make check_lab5出现一些错误提示

2  通过这次lab5实验，我们了解到TCP报文有三种方式可被传送至远程服务器。第一种是TCP-in-UDP-in-IP，这是内核完成的任务，因此内核可以确保每个套接字都具有本地地址与端口，以及远程地址与端口的唯一组合，同时能保证不同进程之前的隔离。第二种是TCP-in-IP，当用户将 IP 报文发送给 TUN 设备后，剩余的以太网报头构造、发送以太网帧等的操作均会由内核自动进行，无需用户干预。第三种是TCP-in-IP-in-Ethernet，它将会把待出口的 IP 报文转换成链路层（以太网）帧等等，之后将链路层帧发送给 TAP 虚拟网络设备，剩下的发送操作将会由它来代为完成。

3  通过这次lab5实验，我们了解到适配器之所以除了有网络层地址（IP地址）以外，还会有链路层地址（MAC地址）的原因是因为局域网是为了任意网络层协议而设计，并非只用于 IP 和因特网。如果适配器使用 IP地址而不使用 MAC 地址，那么每次适配器移动或重启时，均需重新配置地址。由于适配器同时拥有网络层和链路层地址，因此需要相互转化。而这种转换的任务就由地址解析协议来完成。ARP 类似于 DNS 服务，但不同的是，DNS 为任何地方的主机来解析主机名，但 ARP 只能为在同一个子网上的主机和路由器接口解析 IP 地址。

📝总结

斯坦福大学的CS144实验从Lab0到Lab7涵盖了广泛的网络系统和计算机网络主题。Lab0往往是介绍性的，可能涉及设置实验环境和初步概念。逐步进入Lab1至Lab7，学生将涉及更深层次的网络协议、编程和系统设计。

如果你也想了解更多斯坦福大学的CS144实验，以及计算机网络技术新进展，不妨点击下方链接，加入我们社群，共同探讨更多可能性吧。鉴于今年斯坦福大学的CS144实验的火热，我们还建立了一个CS144 🔥 系列专栏：《斯坦福大学CS144 | 奇遇记》，旨在深入探讨斯坦福大学的CS144的实践和应用。