摘要：TCP/IP協(xié)議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)是目前最成功的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，它被用于當(dāng)今所構(gòu)筑的最大的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Internet之上就是其成功的證明。TCP/IP協(xié)議具有廣泛的兼容性和可伸縮性，可連接不同的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。TCP/IP事實(shí)上己成為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)，并成為支持Internet/Intranet的協(xié)議標(biāo)淮。本文就是針對(duì)當(dāng)前流行的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了具體的研究和探討。

關(guān)鍵詞：TCP/IP協(xié)議；Internet；網(wǎng)絡(luò)通信

1 前言

TCP/IP初步架構(gòu)的出現(xiàn)源于1964年，冷戰(zhàn)時(shí)期美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局DARPA提出ARPANET研究計(jì)劃，目的是希望美國(guó)國(guó)防部的很多主機(jī)、通信控制處理機(jī)和通信線路在戰(zhàn)爭(zhēng)中，如部分遭到攻擊而損壞時(shí)，其它部分還能正常工作，同時(shí)它希望適應(yīng)從文件傳送到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N應(yīng)用需求，因此它要求的是一種靈活的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)異型網(wǎng)的互聯(lián)(Interconection)與互通(Intercomunication)。

最初ARPANET使用的是租用線路。當(dāng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)與通信網(wǎng)發(fā)展起來(lái)之后，ARPANET最初開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議NCP (Net Control Protocol，網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議)因其在通信可靠性較差的通信子網(wǎng)中出現(xiàn)了不少問(wèn)題，導(dǎo)致了新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP的出現(xiàn)。雖然TCP協(xié)議和IP協(xié)議都不是OSI標(biāo)準(zhǔn)，但它們是目前最流行的商業(yè)化的協(xié)議，并被公認(rèn)為當(dāng)前的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或“事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)”。1974年，Kahn最早定義出了的TCP/IP參考模型(TCP/IP Reference Model ); 1985年由Leiner等人對(duì)該模型做了進(jìn)一步的研究；1988年Clark對(duì)該模型的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了討論。

今天，Internet己經(jīng)發(fā)展得更加商業(yè)化，更加面向消費(fèi)者，盡管基本目的發(fā)生了改變，但其最初的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(也就是開(kāi)放式、抗毀性和可靠性)依然是必需的。這些特性包括可靠傳輸數(shù)據(jù)、自動(dòng)檢測(cè)、避免網(wǎng)絡(luò)發(fā)生錯(cuò)誤等。更重要的就是TCP/IP是一個(gè)開(kāi)放式的通信協(xié)議，開(kāi)放性就意味著在任何組合間，不管這些設(shè)備的物理特征有多大差異，都可以進(jìn)行通信。

2 標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議

如同OSI參考模型一樣，TCP/IP也是一種分層模型。與OSI參考模型不同的是，TCP/IP參考模型更側(cè)重于互聯(lián)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送，而不是嚴(yán)格的功能層次劃分。TCP/IP通過(guò)解釋功能層次分布的重要性來(lái)做到這一點(diǎn)，但它仍為設(shè)計(jì)者具體實(shí)現(xiàn)協(xié)議留下很大的余地。因此，OSI參考模型適用于解釋互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的通信機(jī)制，而TCP/IP更適合做互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

TCP/IP協(xié)議是一套把因特網(wǎng)上的各種系統(tǒng)互聯(lián)起來(lái)的協(xié)議組，可以保證因特網(wǎng)上數(shù)據(jù)準(zhǔn)確又快速地傳輸。TCP/IP協(xié)議是一個(gè)很大的協(xié)議族，通常表示為一個(gè)簡(jiǎn)化的四層模型。這四層分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。其中一些常用協(xié)議在TCP/IP分層模型中所處的位置如圖1所示。

圖1TCP/IP層次結(jié)構(gòu)圖

3IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

3.1 IP數(shù)據(jù)報(bào)格式

IP ( Internet Protocol，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)是TCP/IP協(xié)議中一個(gè)最重要的協(xié)議。IP數(shù)據(jù)報(bào)以32比特為一個(gè)計(jì)數(shù)單位(組)，其格式如圖2所示。

圖21P數(shù)據(jù)報(bào)格式

3.2IP協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)

IP是TCP/IP協(xié)議中最為核心的協(xié)議。所有的數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)報(bào)格式傳輸。IP協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)無(wú)連接數(shù)據(jù)報(bào)傳送、數(shù)據(jù)報(bào)路由選擇和差錯(cuò)控制的功能。在本課題中，由于單片機(jī)資源有限，結(jié)合實(shí)際需要只實(shí)現(xiàn)了IP數(shù)據(jù)報(bào)傳送和接收，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)路由選擇算法和差錯(cuò)控制，同時(shí)也不支持IP數(shù)據(jù)報(bào)的分片和重組。

IP協(xié)議主要通過(guò)IP接收函數(shù)和IP發(fā)送函數(shù)兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

①IP發(fā)送函數(shù)

void ip_send對(duì)來(lái)自上層的數(shù)據(jù)，按照IP數(shù)據(jù)報(bào)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造數(shù)據(jù)報(bào)。通過(guò)調(diào)用ARP處理程序解析對(duì)應(yīng)IP的物理地址。若返回NULL值，則將數(shù)據(jù)存入一個(gè)已定義的結(jié)構(gòu)體WAITE中，并發(fā)送ARP請(qǐng)求。若返回對(duì)應(yīng)IP的物理地址，則將數(shù)據(jù)交給底層以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序處理。

②IP接收函數(shù)

void ip rcve (UCHAR xdata*inbuf)單片機(jī)收到數(shù)據(jù)包之后，應(yīng)先對(duì)數(shù)據(jù)包的類型進(jìn)行判斷。如果是IP數(shù)據(jù)報(bào)，則調(diào)用該程序。接著再判斷其數(shù)據(jù)域中所使用的協(xié)議類型，是ICMP協(xié)議調(diào)用ICMP處理子程序，是UDP協(xié)議調(diào)用UDP處理子程序，是TCP協(xié)議調(diào)用TCP處理子程序，其它返回。程序流程圖如圖3所示：

圖3IP接收過(guò)程流程圖

3.3 校驗(yàn)和算法

在大多數(shù)TCP/IP協(xié)議中采用的差錯(cuò)檢驗(yàn)方法是校驗(yàn)和，校驗(yàn)和是在分組上附加的信息。校驗(yàn)和能夠防止分組在傳輸時(shí)所受到的損傷。在發(fā)送端先計(jì)算檢驗(yàn)和并將得到的結(jié)果與分組一起發(fā)送過(guò)去。接收端對(duì)包括校驗(yàn)和的整個(gè)分組重復(fù)進(jìn)行同樣的計(jì)算。若得到的結(jié)果正確則接收此分組，否則就將其丟棄。發(fā)送端和接收端的校驗(yàn)和計(jì)算方法分別如下:

①發(fā)送端按以下步驟產(chǎn)生校驗(yàn)和

②接收端按以下步驟產(chǎn)生校驗(yàn)和

下面給出校驗(yàn)和算法的源程序：

UINT Checksum (UCHAR xdata *checks UINT length)//計(jì)算校驗(yàn)和

{LONG sum=0; UINT i:UINT xdata *ptr: ptr=(UINT xdata *)check;

for (i=0:i<(length)/2;i++)

{sum+=*ptr++;}

if (length0x01)//表示長(zhǎng)度為單數(shù)

{sum=sum+((*ptr)Oxff00);}

sum=(sumOxffff)+((sum;16)Oxffff);//高16位和低16位相加

if(sumOxffffU000){sum++;}//表示有進(jìn)位

return((UINT)((sum)Oxf});}

4TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

4.1 TCP數(shù)據(jù)報(bào)格式

TCP（Transfer Control Protocol，傳輸控制協(xié)議)是傳輸層最常用的協(xié)議，是一個(gè)比較復(fù)雜的協(xié)議。TCP和IP一樣，也是TCP/IP協(xié)議族中最重要的協(xié)議。它可以提供面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。TCP數(shù)據(jù)報(bào)文段格式如圖4所示：

圖4TCP報(bào)文段的格式

4.2 TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是整個(gè)TCP/IP協(xié)議棧中最復(fù)雜的一個(gè)。TCP協(xié)議是面向連接的、端對(duì)端的可靠通信協(xié)議。TCP采取了很多機(jī)制來(lái)保證它的可靠性，比如TCP連接的建立與關(guān)閉機(jī)制、超時(shí)重傳機(jī)制、數(shù)據(jù)包確認(rèn)機(jī)制、流量控制機(jī)制等等。在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議所要做的就是實(shí)現(xiàn)這些機(jī)制，當(dāng)然要在不影響協(xié)議棧功能的前提下適當(dāng)做一下簡(jiǎn)化。

4.3TCP的超時(shí)重傳與流量控制機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)一個(gè)TCP連接順利建立起來(lái)后，TCP連接的雙方可以互相傳遞數(shù)據(jù)了。TCP的可靠傳輸是靠確認(rèn)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包后，只有接收到對(duì)方發(fā)送確認(rèn)包后，才能確定該數(shù)據(jù)包已經(jīng)成功發(fā)送，否則就要重發(fā)。

TCP的流量控制是為了協(xié)調(diào)通信雙方的收發(fā)速率不均衡而設(shè)計(jì)的。遠(yuǎn)端的客戶機(jī)一般是通用計(jì)算機(jī)，相對(duì)與本地的嵌入式Web Server來(lái)說(shuō)運(yùn)行速度要快得多。因此，當(dāng)遠(yuǎn)端快的發(fā)送方向本地慢的接收方發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，如果發(fā)送速度很快，則會(huì)導(dǎo)致本端來(lái)不及處理，甚至導(dǎo)致死機(jī)。TCP連接建立時(shí)，雙方會(huì)利用TCP首部中的Window窗口字段通報(bào)雙方的可用窗口。實(shí)際上，接收方通報(bào)的窗口大小是根據(jù)其接收緩存的大小而定，考慮到本系統(tǒng)在使用TCP協(xié)議時(shí)，只設(shè)置了一個(gè)中等IP包大小接收緩存，因此接收窗口設(shè)為1024。同時(shí)，每次接收包的ACK確認(rèn)時(shí)，窗口大小不再動(dòng)態(tài)改變，恒定設(shè)置為1024。這樣遠(yuǎn)端主機(jī)就會(huì)以較慢的傳輸速率與本端的Web Server進(jìn)行通信。

5 結(jié)論

本文主要針對(duì)目前流行的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究和探索，由于時(shí)間倉(cāng)促，加上本人對(duì)該領(lǐng)域的研究才剛剛起步，所以還存在一些問(wèn)題值得進(jìn)一步研究探討，主要有:

(1) 對(duì)于TCP/IP協(xié)議，時(shí)間的控制非常重要。包括TCP的超時(shí)重傳，TCP狀態(tài)的?；畹?。如果時(shí)間處理不當(dāng)，將影響整個(gè)系統(tǒng)的通訊性能。

(2)如何進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)TCP/IP對(duì)于多點(diǎn)通信以及完整協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)還有待于進(jìn)一步研究。

(3) IPv6作為下一代互聯(lián)網(wǎng)的核心協(xié)議，能夠提供幾乎無(wú)限的地址空間，從根本上克服了IPv4中地址空間不足的問(wèn)題。因此，下一步可增加對(duì)IPv6協(xié)議的研究與實(shí)現(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介：張凱（1980－），男，湖南益陽(yáng)人，廣東省湛江師范學(xué)院，助教，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程。（廣東 湛江 524300）

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