计算机网络作业八

Computer Networks Assignment 8

一、问题描述

Assignment 8: Fast! Fast! Fast!

1. Assuming the underlying network layer uses IP protocol, try design a transfer layer protocol that is suitable for Interstellar communications.

2.Assuming you have total control of the transfer layer, the network layer, and the link layer, design a set of protocols that is suitable for the Inter-continental optic fiber link. How could you send and receive data efficiently between Hongkong and Los Angelos?

3. Design and implement a program that could transfer large files (1GB or bigger) between laptop computers using the campus network through campus WiFi access. Test it and analyze the outcome.

作业8：快！快！快！

1.假设底层网络层使用IP协议，请设计一个适用于星际通信的传输层协议。

2.假设您完全控制传输层、网络层和链路层，请设计一套适用于洲际光纤链路的协议集。您如何在香港和洛杉矶之间高效地发送和接收数据？

3.设计并实现一个程序，该程序可以通过校园WiFi接入，在使用校园网络的笔记本电脑之间传输大文件（1GB或更大）。测试并分析结果。

二、问题分析

（一）星际通信的传输层协议主要考虑方面[1]

星际通信面临的主要挑战是极高的延迟和可能的信号衰减。基于这些特点，设计一个传输层协议需要考虑以下几个方面：

高延迟适应性：由于信号可能需要几分钟甚至几小时才能传达，因此协议需要处理极长的往返时间（RTT）。这意味着需要有较大的窗口大小或者使用非常高效的错误纠正方法来应对丢包情况。

信号完整性：由于星际噪音和其他干扰，信号可能会在传输过程中变得不完整。因此，需要强大的编码和纠错技术，如前向纠错（FEC）。

能量和带宽效率：星际通信可能面临能源和带宽资源的限制，因此协议需要尽可能高效地使用这些资源。

（二）洲际光纤链路的协议集每层可能的优化[2]

在控制传输层、网络层和链路层的情况下，可以设计一套高效的协议集来优化香港和洛杉矶之间的数据传输：

快速路由选择：优化网络层的路由算法，以选择最短的传输路径，减少延迟。

高效的传输控制：在传输层采用类似于TCP BBR（拥塞控制算法）的技术，根据实际带宽和网络条件动态调整数据发送速度。

链路层优化：在链路层实现高效的编码技术来最大化数据传输速率并减少错误率。

（三）校园网络大文件传输考虑的方案

设计一个能够在校园网络环境中高效传输大文件（1GB或更大）的程序，可以考虑以下几点：

使用TCP进行传输：用TCP协议进行传输，因为虽然TCP可能不够快，但TCP内置的拥塞控制和重传机制通常能提供可靠的传输，特别是在校园网环境中，传输文件的可靠性非常重要。[3]

增加缓冲区大小：默认情况下，如果每次从文件中读取和发送的数据量较小，对于大文件来说可能效率较低。增加缓冲区大小可以减少读写操作的次数，从而提高传输效率。

多线程或多进程：使用多线程或多进程来同时传输文件的不同部分，以提高传输速率。

三、关键过程及代码

（一）设计适用于星际通信的传输层协议

设计一个适用于星际通信的传输层协议，需要考虑到极高的延迟、信号衰减、能源和带宽限制等多个因素。基于这些需求，并结合上次作业的部分经验，我们可以得到一个传输层协议的初步设计方案如下：

1. 协议设计概述

协议名称：Interstellar Transmission Protocol (ITP)

核心设计原则：确保数据的完整性、适应高延迟环境、提高能源与带宽使用效率。

2. 高延迟适应性

窗口机制：采用动态窗口调整策略，基于当前网络条件和反馈调整窗口大小。在星际通信中，因为RTT可能极长，所以初始化窗口大小应当比常规协议大得多，以存储在长时间内的数据传输。[4]

超时重传机制：考虑到高延迟的特性，设置较长的超时重传时间。同时，采用优化的重传策略，如选择性重传，只重传丢失的数据包而非整个窗口内容。

3. 信号完整性

编码和纠错：采用强大的前向纠错（FEC）机制，允许在接收端独立纠正错误，减少需要重传的数据量。FEC可以有效地应对星际噪音和信号衰减问题。

数据完整性验证：使用校验和或更高级的加密哈希函数来验证数据完整性，确保数据在传输过程中未被篡改或损坏。

4. 能量和带宽效率

头部压缩：对协议的头部进行压缩，减少每个数据包的开销，从而提高带宽使用效率。

数据聚合：在发送数据前进行数据聚合，尽可能减少发送的数据包数量，降低能源消耗和提高带宽利用率。

5. 兼容性和扩展性

与IP层的兼容：虽然ITP是为星际通信设计的，它也需要在现有的IP基础上运行，确保与地球上现有网络的兼容性。

协议扩展：设计协议时留有足够的扩展性，以便未来根据新的技术和需求进行更新和升级。

6. 安全性设计

加密传输：提供端到端加密选项，保证数据传输的私密性。

身份验证和授权：确保所有通信的双方都能验证对方的身份，防止未授权访问。

基本设计概念如下：

数据包结构: 包含头部和数据部分。

动态窗口调整: 根据接收到的反馈动态调整窗口大小。

选择性重传策略: 只重传丢失的数据包。

前向纠错(FEC): 添加额外的冗余数据来允许错误恢复。

头部压缩: 减小头部大小以减少网络负担。

安全性: 实现简单的加密和解密功能。

实现步骤如下：

步骤 1: 定义数据包格式和头部压缩。Python代码如下：

步骤 2: 实现动态窗口调整和选择性重传。Python代码如下：

步骤 3: 添加基本的前向纠错功能。Python代码如下：

步骤 4: 加密和解密数据。Python代码如下：

在数据包结构和头部压缩部分，定义了一个Packet类来创建和管理数据包，包括序列号、数据和校验和。同时，实现了一个简单的头部压缩和解压缩机制。

对于动态窗口机制，实现了一个AdvancedTransmissionControl类，它能基于发送数据包和接收确认来动态调整窗口大小。窗口大小的初始值较大，适应长RTT环境。而对于超时重传机制，该类还能根据计算出的超时时间来监控每个数据包。如果发现数据包在超时时间内未被确认，将自动触发重传机制。这些实现考虑到星际通信中的特殊需求，例如极长的往返时间（RTT）和高数据完整性要求。代码中还包括了发送确认信息和处理确认信息的逻辑，以及对损坏数据包的处理。

在前向纠错(FEC)部分，实现了一个简单的前向纠错机制，通过添加校验和到数据末尾，允许在接收端对数据进行错误检测和恢复。

而基本的加密和解密部分，使用了cryptography库中的Fernet类来提供数据的加密和解密功能。[5]

以上是根据设计方案实现的一套基础的代码，由于能力有限，并不能保证此传输层协议能实现星际通信。但是，我了解到星际通信传输协议面临的主要挑战是极高的延迟和可能的信号衰减，因此高延迟适应性、信号完整性以及能量和带宽效率都是设计协议时要考虑的非常重要的方面。

由于网络上有不少科学家设计的适用于星际通信的传输层协议，接下来通过分析一下他们的思路和方案来进一步完善这一部分。

在谷歌上找到了University of California, Santa Barbara的Ian F. Akyildiz、Ozgur B. Akan和Jian Fang所写的一篇名为TCP-Planet: A Reliable Transport Protocol for InterPlaNetary Internet的文章，这篇文章介绍了一种为星际互联网设计的可靠传输层协议——TCP-Planet。[6]

TCP-Planet这个协议针对星际网络中极高的传播延迟、高链路错误率、带宽不对称性及可能出现的通信中断（黑断状态）等问题提出解决方案。下面是对TCP-Planet协议的几个关键特性的详细分析：

1. 延迟适应性

由于星际通信的特点是极高的延迟，传统的TCP协议在这种环境下性能较差，因为它们的慢启动和拥塞控制算法无法高效利用网络资源。TCP-Planet通过改进的初始状态算法和稳态算法，加快了对网络资源的捕获，并优化了数据传输速率的调整。

其中，初始状态算法（Initial State Algorithm）是在TCP-Planet的连接开始阶段，使用了它来快速占用网络资源。这个算法不采用传统TCP的慢启动方式，而是通过一种被称为"Immediate Start"的过程，在连接建立初期就快速提高数据发送速率。在这个过程中，通过模拟慢启动和拥塞避免的方式，分时间间隔发送数据包和NIL包（用于网络探测的空包），来快速地探测网络状况并调整拥塞窗口。

而稳态算法（Steady State Algorithm）是指在通过初始状态算法快速占用网络资源之后，TCP-Planet会转入稳态运作，利用一种新的基于速率的增加-乘减（AIMD）拥塞控制算法来维持和调整数据传输速率。这种算法特别适合高误码率和高延迟的星际通信环境。

2. 错误处理和拥塞控制

TCP-Planet引入了一种端到端的速率控制机制，该机制使用增加-乘减（AIMD）策略来调整数据传输速率，以适应高误码率环境。此协议能够区分由于真实拥塞还是由于链路错误引起的数据包丢失，从而避免了不必要的速率降低。

3. 黑断状态处理

为了应对星际通信中可能出现的链路中断（如行星遮挡等造成的通信黑断），TCP-Planet设计了黑断状态处理过程。在通信中断期间，此协议保持当前的数据传输速率不变，并在中断结束后迅速恢复正常的数据传输。

4. 带宽不对称性的处理

由于星际通信中常见的前向链路和反向链路带宽严重不对称，TCP-Planet采用了延迟选择性确认（Delayed Selective Acknowledgment，SACK）技术，通过控制ACK包的发送，减轻反向链路的压力。

5. 模拟实验和性能评估

文中通过一系列模拟实验展示了TCP-Planet在各种网络状况下的性能，特别是在处理高延迟、高误码率及带宽不对称等环境下的优势。实验结果表明，TCP-Planet在数据吞吐率和网络资源利用率上相比现有TCP协议有显著提升。

由上面的分析我们可以知道，TCP-Planet协议通过一系列创新的设计，有效应对了星际网络中的多种挑战，通过创新的算法和协议机制优化了性能，特别是在处理高延迟和高误码率方面表现出较强的适应性和可靠性。

（二）设计适用于洲际光纤链路的协议集

设计一套适用于洲际光纤链路的协议集需要综合考虑性能、可靠性、效率和兼容性。这里，我们将关注传输层、网络层和链路层的特定需求。这种协议集旨在优化长距离传输的数据完整性、最小化延迟、提高吞吐量，并确保高度的安全性。以下是每一层的设计概述：

1. 链路层设计

物理编码方法：选择64B/66B编码，这种编码方法提供较低的开销（2%）和高效的传输效率，适合高速光纤传输。[7]

帧同步：设计一个帧开始和帧结束标识，以便在高速传输中准确分辨帧的边界。帧头包括帧长度、源地址、目的地址和校验序列，帧尾包括帧校验序列。

错误控制：使用前向纠错（FEC），采用Reed-Solomon编码作为FEC方法，增强数据的错误纠正能力，适合长距离光纤传输中的误差控制。

2. 网络层设计

IP版本：使用IPv6以支持更广泛的地址分配，并提供足够的地址空间。

智能路由协议：使用BGP或OSPF等动态路由协议，根据网络状况动态选择最佳路由路径，以减少延迟和拥塞。

多路径路由：实施多路径路由技术，如多协议标签交换（MPLS），允许数据通过最优路径传输，提高链路的可靠性和效率。[8]

分片与重组：设定一个较大的最大传输单元MTU，例如9000字节，以减少分片的需求，提升传输效率。

拥塞控制机制：实施基于队列的拥塞管理技术，例如RED（Random Early Detection）算法，以平衡网络负载和减少丢包。

3. 传输层设计

TCP优化：针对长距离高延迟环境调整TCP参数，如增大窗口大小，启用TCP快速打开等来提高传输效率。

确认和重传机制：设计选择性确认（Selective Acknowledgment，SACK）机制，提高在高延迟网络中的数据传输效率。

多路径TCP（MPTCP）：支持MPTCP以允许同一数据流在多条路径上传输，增加传输的冗余性和可靠性。[9]

滑动窗口调整：动态调整滑动窗口大小，根据实时的网络状况优化数据流速率，充分利用高带宽。

4. 安全性设计

传输加密：在传输层实施端到端的加密，使用TLS 1.3协议，保障数据传输的机密性和完整性。

认证机制：结合OAuth或其他标准的认证框架，确保数据发送和接收双方的身份验证和授权。[10]

5. 性能监测与维护

定期监控：建立一个全面的网络监控系统，实时监控网络状态，包括带宽使用率、延迟、丢包率等，以及时发现并解决网络问题。

预备方案和故障转移：制定详尽的网络故障应对方案，包括自动故障转移和手动干预措施，确保网络在任何情况下都能持续运行。

这种设计综合考虑了洲际光纤链路的特性，如高带宽、高延迟和高可靠性需求，同时也考虑了安全性和未来网络技术的发展趋势。

要在香港和洛杉矶之间高效地发送和接收数据，不仅要用到上面设计的适用于洲际光纤链路的协议集，还需要很多其他方面的支持，比如：

使用高品质光纤：选择高性能、低衰减的光纤材料，如单模光纤，以最小化信号损耗和延迟。

使用光纤放大器：在洲际光纤链路上定期部署光纤放大器，以补偿传输过程中的信号衰减。[11]

使用内容分发网络（CDN）：CDN可以将数据缓存在全球多个地点，使得数据可以从地理位置上接近用户的服务器被访问，这样可以显著提高数据的传输速度和可靠性。

通过这些措施的综合应用，可以在香港和洛杉矶之间实现高效、可靠和安全的数据传输，最大限度地利用洲际光纤链路的优势，满足高速网络通信的需求。

（三）设计并实现校园网络大文件传输程序

为了在使用校园网络的笔记本电脑之间快速传输大文件，可以使用Python的socket库来实现一个简单的文件传输系统。选择使用TCP协议进行传输，因为虽然TCP可能不够快，但TCP内置的拥塞控制和重传机制通常能提供可靠的传输，特别是在校园网环境中，传输文件的可靠性非常重要。

而为了优化文件传输的速度，尤其是在传输大文件时，我们可以采取以下几个措施：[3]

增加缓冲区大小：默认情况下，如果每次从文件中读取和发送的数据量较小，对于大文件来说可能效率较低。增加缓冲区大小可以减少读写操作的次数，从而提高传输效率。

使用多线程：通过多线程技术，可以在服务器端同时处理多个客户端的请求，或者在客户端并行接收数据块。

同时，在代码中，还添加了时间记录和字节计数。通过计算传输开始和结束的时间差，并除以总传输的字节数，我们能得到平均速度，并以MB/s为单位进行显示。通过这种方法来测量文件传输的性能。

服务器（发送端）代码如下：

客户端（接收端）代码如下：

我选择传输一个1.5GB左右的视频，传输完成后，客户端测得文件传输的平均速度位23.76 MB/s。

同时，视频文件可以正常播放，这说明了传输的可靠性。

上面所做的优化主要是在应用层面，通过增加缓冲区的大小和引入多线程来提高数据传输的速度和处理能力。

而如果要在协议层面进行优化，可以考虑以下一些更高级的策略：

TCP窗口调整：TCP 窗口大小决定了可以在等待确认之前发送的最大数据量。通过调整 TCP 的窗口大小，可以控制未确认数据的量，这可以在高延迟网络中提高性能。

TCP快速打开 (TFO)：这是一个减少三次握手延迟的技术，可以在建立新的 TCP 连接时减少延迟。

选择不同的拥塞控制算法：例如，使用 BBR（Bottleneck Bandwidth and RTT）代替传统的拥塞控制算法如CUBIC，BBR 旨在最大化网络的利用率而不过度响应网络中的丢包。[12]

四、结论

本文首先进行了问题分析，根据题目分别对“适用于星际通信的传输层协议”、“适用于洲际光纤链路的协议集”和“校园网络大文件传输程序”这三个题目中提到的关键问题进行了大致的分析，根据查阅的资料给出了它们的相关知识和大致解决方案。

然后，在实验过程中，先给出了一个适用于星际通信的传输层协议的初步设计方案。针对星际通信传输协议面临的极高的延迟和可能的信号衰减，高延迟适应性、信号完整性以及能量和带宽效率都是设计协议时要考虑的非常重要的方面。因此，通过定义数据包格式和头部压缩、实现动态窗口调整和选择性重传、添加基本的前向纠错功能、加密和解密数据等操作对这些方面进行一定的改善，并给出了每个步骤的基本Python代码。此外，由于网络上有不少科学家设计的适用于星际通信的传输层协议，本文还分析了一篇名为TCP-Planet: A Reliable Transport Protocol for InterPlaNetary Internet的文章来完善这一部分。

接着，本文关注传输层、网络层和链路层的特定需求，设计了一套适用于洲际光纤链路的综合考虑性能、可靠性、效率和兼容性的协议集。而要在香港和洛杉矶之间高效地发送和接收数据，不仅要用到上面设计的协议集，还提出了一些其他方面需要的支持。

此外，对于设计并实现校园网络大文件传输程序，选择使用TCP协议进行传输，因为虽然TCP可能不够快，但是在校园网环境中，传输文件的可靠性非常重要。而为了优化文件传输的速度，尤其是在传输大文件时，采取增加缓冲区大小和使用多线程这两个优化。

最后，本文还说明了如果要在协议层面进行优化，可以考虑使用TCP窗口调整、TCP快速打开、使用 BBR拥塞控制算法等更高级的策略。