工业以太网应用技术：TCP程序设计

2023-11-20 理论教育版权反馈

【摘要】：TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。这几点也是用户实现TCP协议的几个重点，也是程序实现的基本原则。如果将字节流看做在两个应用程序间的单向流动，则TCP用序号对每个字节进行计数。TCP或UDP连接唯一地使用每个信息中的如下四项进行确认。状态转移图是整个TCP软件设计的灵魂，将状态和作用于状态的事件相联系。图9-20 TCP状态转移图4）在SYN_RCVD状态时，服务器T

TCP（传输控制协议）是TCP/IP协议族中最重要的协议之一，它位于网络层（IP）之上的传输层中，为应用层提供面向连接的、可靠的字节流服务。面向连接意味着两个使用TCP的应用（通常是一个客户和一个服务器）在彼此交换数据之前，必须先建立一个TCP连接。TCP实现的关键就是如何在无连接且不可靠的IP层协议上建立一个面向连接和可靠的协议，这也是实现过程中的难点。TCP通过下列方式来提供可靠性：

1）应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块，应用程序产生的数据报长度将保持不变。

2）当TCP发出一个报文段后，它启动一个定时器等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。

3）当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。

4）TCP在传送的时候将添加校验和，这是一个端到端的校验和，目的是检测数据在传输过程中是否有变化。如果收到段的校验和有差错，TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段（希望发送端超时并重发）。

5）既然TCP报文段作为IP数据报来传输，而IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能会失序。如果必要，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。既然IP数据报会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据。

6）TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

TCP将用户数据打包构成报文段，它发送数据后启动一个定时器，另一端对收到的数据进行确认，对失序的数据重新排序，丢弃重复数据，TCP提供端到端的流量控制，并计算和验证一个强制性的端到端校验和。这是TCP协议工作的一个大概的步骤。这几点也是用户实现TCP协议的几个重点，也是程序实现的基本原则。TCP数据被封装在一个IP数据报中，如果不计任选字段，它通常是20个字节。

每个TCP段都包含源端和目的端的端口号，用于寻找发送端和接收端应用进程。这两个值加上IP首部中的源端IP地址和目的端IP地址，唯一确定一个TCP连接。

序号用来标识从TCP发送端向TCP接收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节。如果将字节流看做在两个应用程序间的单向流动，则TCP用序号对每个字节进行计数。序号是32bit的无符号数，序号到达2³²-1后又从0开始。

当建立一个新的连接时，SYN标志变1。序号字段包含由这个主机选择的该连接的初始序号ISN（Initial Sequence Number）。该主机要发送数据的第一个字节序号为这个ISN加1，因为SYN标志消耗了一个序号。既然每个传输的字节都被计数，确认序号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号。因此，确认序号是上次已成功收到数据字节序号加1。只有ACK标志为1时确认序号字段才有效。

发送ACK无需任何代价，因为32bit的确认序号字段和ACK标志一样，总是TCP首部的一部分。因此，一旦一个连接建立起来，这个字段总是被设置，ACK标志也总是被设置为1。

TCP为应用层提供全双工服务，这意味着数据能在两个方向上独立地进行传输。因此，连接的每一端必须保持每个方向上的传输数据序号。

TCP和UDP服务通常有一个客户/服务器的关系。例如，一个Telnet服务进程开始在系统上处于空闲状态，等待着连接。用户使用Telnet客户程序与服务进程建立一个连接。客户程序向服务进程写入信息，服务进程读出信息并发出响应，客户程序读出响应并向用户报告。因而，这个连接是双工的，可以用来进行读写。但是两个系统间的多重Telnet连接是如何相互确认并协调一致呢？TCP或UDP连接唯一地使用每个信息中的如下四项进行确认。

·源IP地址：发送包的IP地址。

·目的IP地址：接收包的IP地址。

·源端口：源系统上的连接端口。

·目的端口：目的系统上的连接端口。

端口是一个软件结构，被客户程序或服务进程用来发送和接收信息。一个端口对应一个16比特的数。服务进程通常使用一个固定的端口，例如，SMTP使用25。这些端口号是“广为人知”的，因为在建立与特定的主机或服务的连接时，需要这些地址和目的地址进行通信。

TCP的数据报结构如下：

由于单片微控制器的资源紧张，本设计没有实现分组与重组程序，在发送数据的时候每次只是发送一帧，发送成功之后，才去发送另外的一帧。这样就不需要分组与重组的程序。

1.状态转移图设计

TCP软件是以有限的状态机形式实现的。有限的状态机是一种状态转换机制，某时刻只能处在一个状态，它是通过事件来触发状态改变的。如果一个事件到来，状态机会根据现在所处的状态和事件的类型进入下一个状态。状态转移图是整个TCP软件设计的灵魂，将状态和作用于状态的事件相联系。在程序中设置了Tcp_Process函数，该函数在主程序中对tcp的状态进行转移，使它处理接收到的TCP数据，并作出相应的判断，跳入某种状态。为了便于说明，这里给出状态的转移图，如图9-20所示。

该状态转换模块使用的地方很多，一个到达的TCP报文段，一个超时事件，一个来自应用程序的报文等都可以用到该模块。这是一个非常复杂的模块，因为它要采取的动作取决于TCP的当前的状态和到来的事件。有很多的方法可以实现状态转换图，如每种状态使用一个进程或是数组等。它的设计可分为客户和服务器两个方面，限于篇幅，这里仅介绍服务器方面。虽然服务器可以处在11个状态之一，但是正常工作时，它只处于以下几个状态：CLOSED、LIS TEN、SYN_RCVD、ESTABLISED、CLOSE_WAIT和LAST_ACK。下面简要介绍如下：

1）服务器TCP在CLOSED状态开始。

2）在CLOSED状态时，服务器收到客户TCP连接请求，然后进入LISTEN状态。

3）在LISTEN状态时，服务器TCP能够收到客户TCP的SYN报文，它将SYN+ACK报文发送给客户TCP，然后进入SYN_RCVD状态。

图9-20 TCP状态转移图

4）在SYN_RCVD状态时，服务器TCP接收到客户TCP的ACK报文，然后进入ES-TABLSED状态。这是个数据传送状态，只要服务器在发送和接收数据，它就继续在这个状态。(www.chuimin.cn)

5）在ESTABLSED状态时，服务器收到来自客户的FIN报文，表示客户愿意关闭这个连接，它可以发送ACK报文给客户，并进入CLOSE_WAIT状态。

6）在CLOSE_WAIT状态时，服务器TCP可以一直等待，直到收到来自服务器程序的关闭请求，这时发送FIN报文给客户，并进入LAST_ACK状态。

7）在LAST_ACK状态时，服务器就等待客户的ACK报文，然后进入CLOSED状态。

在程序中，使用case语句来处理状态。设计中将TCP的状态作了简化，只保留了6个主要的状态，并且每隔一秒进行超时处理。实践证明是可以建立可靠的TCP连接的。程序如下：

由于TCP协议是运输层最复杂的协议，在连接传输的过程中，有多个状态和多个参数，所以定义一个如下的数据结构：

其中，连接状态（State）表示当前TCP所处的状态。

TCP的主要的函数为状态机函数，发送函数。状态机函数主要的功能为根据连接当前的状态和接收到的TCP报文，改变到下一状态，调用相应的处理函数。TCP发送函数主要是按照TCP报文的格式，生成报文并发送。

在程序中，使用单片微控制器的一个定时器作为系统的时钟，主要用于ARP的老化定时、各种超时定时等。IP协议采用统一的校验算法，其计算方法为：设校验和初值为0，然后对数据每16位求异或，结果取反，便得校验和。校验时将数据（含校验和）按同样的算法求和，结果为0表示数据正确；不为0则表示通信出错，需要丢弃该数据包。这样能简化校验程序设计，提高TCP/IP协议的效率。在编程的时候，只需要一个程序便可以了，不过需要注意的是TCP和UDP的校验需要加上伪头标，否则得不到正确的结果。伪头标违背了协议的分层原则，但这种违背是出于实际需要的，也正体现了TCP/IP协议设计的灵活性。

2.TCP头文件tcp.h

TCP头文件tcp.h定义如下：