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P05 迷你 TCP：用户态可靠传输与离散网络模拟

这是一个 6–8 周、2–3 人组队的大项目。学生在一个离散事件、不可靠网络模拟器上实现 可靠、有序、受流量控制并带拥塞控制的字节流协议。这里的 UDP/网络只是教学 harness；本项目 明确不是 raw socket 生产 TCP，也不要求替换操作系统 TCP 栈。

先修

目标

  1. 把“可靠字节流”拆成分段、序号、累积 ACK、乱序重组和 EOF；
  2. 在可控的丢包、重复、乱序、延迟网络上实现 RTO/重传和流量控制；
  3. 用显式连接状态机处理握手、关闭、半关闭和 TIME_WAIT；
  4. 实现慢启动、拥塞避免、超时退让，并用日志解释 cwnd 的变化；
  5. 用参考 endpoint 和文件 checksum 证明实现不是只在 happy path 上工作。

周期与组队

建议 6–8 周，2–3 人一组；每周提交一个可回放的场景日志。个人项目必须保留同样的设计 审查、故障矩阵和抓包/事件分析记录。

目录

路径 内容
starter/packet.py Segment/packet JSON schema 与结构校验
starter/network.py 可注入丢包、重复、乱序、延迟和限速的离散网络接口
starter/protocol.py ByteStream、Sender、Receiver、Connection 的公开接口；核心方法 TODO
starter/driver.py 读取网络 fixture 并回放一条最小 packet 事件
fixtures/loss_reorder.json 机器可读网络场景、载荷和测试 cases
tests/test_scaffold.py 当前应通过的结构、schema、网络 harness 测试
acceptance/ 学生实现后才开启的可靠传输验收，默认跳过
scripts/verify_scaffold.py 仅 Python 标准库的脚手架检查
DESIGN.md / rubric.md 设计报告模板与细化评分

里程碑

  1. M1 · ByteStream 与 packet（第 1 周）：确定字节流 EOF/容量契约，完成 Segment 编解码、 序号空间和 checksum/字段合法性测试。
  2. M2 · sender/receiver（第 2–3 周）：分段、累积 ACK、乱序重组、重复包和接收窗口； 在 0% 丢包、可乱序场景下与参考 endpoint 互通。
  3. M3 · 定时与重传（第 4 周）：可注入时钟、RTO 估计、超时重传、重传去重；每个计时器 都能在单元测试中推进，不读取真实 wall clock。
  4. M4 · 连接状态机（第 5 周）：三次握手、四次挥手、半关闭、RST/错误和 TIME_WAIT， 日志可说明每次状态转移原因。
  5. M5 · 流量/拥塞控制（第 6–7 周）：同时服从接收窗口和 cwnd，完成慢启动/AIMD； 输出吞吐、重传、RTT、cwnd/ssthresh 的时间序列。
  6. M6 · 互通与报告（第 8 周）：0/10/30% 丢包、重复/乱序/长延迟混合测试，与参考 endpoint 互通，提交故障矩阵和性能报告。

学生任务边界

教师提供 packet 字段约定、离散网络、事件回放、公开 fixture、参考黑盒 endpoint 的调用 边界和 checksum/文件校验规则。学生实现 ByteStream、sender/receiver、RTO/重传、连接 状态机、流量控制和拥塞控制；可替换数据结构但不可改变公开方法的语义。

不得调用真实网络、操作系统 TCP、第三方可靠传输库或把一个现成 TCP 实现改名提交。可以 使用 Python 标准库中的 heapq、random、enum 和日志工具。harness 的随机种子、时钟 和故障注入必须可复现。

给定接口契约

@dataclass(frozen=True)
class Segment: ...

class ByteStream:
    def write(self, data: bytes) -> int: ...
    def read(self, limit: int = -1) -> bytes: ...

class Sender:
    def on_application_bytes(self, data: bytes) -> list[Segment]: ...
    def on_segment(self, segment: Segment) -> None: ...
    def on_tick(self, now: int) -> list[Segment]: ...

class Receiver:
    def on_segment(self, segment: Segment) -> list[Segment]: ...
    def read(self, limit: int = -1) -> bytes: ...

class Connection:
    def submit(self, data: bytes) -> None: ...
    def tick(self, now: int) -> list[Segment]: ...
    def receive(self, segment: Segment, now: int) -> list[Segment]: ...

starter/network.py 的 DiscreteNetwork 是教师提供的故障注入层，学生不得把它改成真实 套接字。发送端的有效发送量必须满足 min(advertised_window, congestion_window)；序号空间、 ACK 累积规则、timer 单调时间和连接状态转移应在 DESIGN.md 中明确。

运行与验收命令

在本项目目录执行：

python3 scripts/verify_scaffold.py
python3 -m unittest discover -s tests -v
python3 -m py_compile starter/*.py scripts/verify_scaffold.py tests/test_scaffold.py acceptance/test_student_acceptance.py
python3 starter/driver.py --fixture fixtures/loss_reorder.json
RUN_STUDENT_ACCEPTANCE=1 python3 -m unittest discover -s acceptance -v

前四条属于脚手架 CI，当前 TODO 也应通过；最后一条显式开启学生验收，在未实现 sender/ receiver 时预期失败。教师 CI 不应无条件执行该 job。

故障、边界与性能测试

公开层覆盖：0% 丢包、单包/空 payload、最大 payload、重复包、乱序包、ACK 过期、窗口为 0、 延迟大于 RTO、序号回绕、SYN/FIN 丢失、半关闭、RST 和连接取消。隐藏场景组合 10%/30% 丢包、 突发丢包、重复+乱序、ACK-only 包、带宽上限、长 RTT 和多个并发连接。

正确性必须用文件长度、字节 checksum、首个/最后一个序号和 receiver 输出对照，而不是只看 “连接最终关闭”。性能至少记录 goodput、总 ticks、重传数、峰值 in-flight、cwnd/ssthresh、 RTO/RTT；固定 seed，比较窗口大小和故障率，并解释吞吐/公平性的变化。

Rubric（40/25/15/10/10）

项目 权重 评分要点
功能正确性 40% 字节流、分段、ACK、重组、重传、连接与拥塞控制的契约测试
故障与边界 25% 丢包/乱序/重复/延迟/窗口为 0/回绕/关闭与错误路径
性能/资源 15% goodput、ticks、重传率、cwnd/RTO 数据和可复现实验
结构与文档 10% 层次边界、状态机、可观察日志、可注入时钟、测试组织
报告与反思 10% 故障矩阵、抓包/事件分析、失败尝试、成员分工与限制

详见 rubric.md。

交付物

学术诚信

可查阅 RFC、教材和课程讲义，必须注明引用。不得复制 Linux/BSD/QUIC/第三方可靠 UDP 的 实现、绕过故障注入、篡改参考 checksum、伪造丢包实验或伪造抓包日志。自动生成代码也必须 由提交者解释状态机和每个不变量。

平台条件

脚手架、离散网络和公开测试只需要 Python 3.10+ 标准库，Mac/Windows/Linux 均可。不要把 管理员权限、真实网卡、UDP 端口、root、特定内核 TCP 行为写入作业依赖。若选做实时可视化， 把它放在非必需的报告工具中。

可选挑战

讲义映射