ＴＣＰ／ＩＰ網絡通信協議的實現與探討

摘要：TCP/IP協議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)是目前最成功的網絡通信協議，它被用于當今所構筑的最大的開放式網絡系統Internet之上就是其成功的證明。TCP/IP協議具有廣泛的兼容性和可伸縮性，可連接不同的計算機網絡協議、不同的網絡設備。TCP/IP事實上己成為網絡互聯的標準，并成為支持Internet/Intranet的協議標淮。本文就是針對當前流行的TCP/IP網絡通信協議的實現進行了具體的研究和探討。

關鍵詞：TCP/IP協議；Internet；網絡通信

1 前言

TCP/IP初步架構的出現源于1964年，冷戰時期美國國防部高級研究計劃局DARPA提出ARPANET研究計劃，目的是希望美國國防部的很多主機、通信控制處理機和通信線路在戰爭中，如部分遭到攻擊而損壞時，其它部分還能正常工作，同時它希望適應從文件傳送到實時數據傳輸的各種應用需求，因此它要求的是一種靈活的網絡體系結構，實現異型網的互聯(Interconection)與互通(Intercomunication)。

最初ARPANET使用的是租用線路。當衛星通信系統與通信網發展起來之后，ARPANET最初開發的網絡協議NCP (Net Control Protocol，網絡控制協議)因其在通信可靠性較差的通信子網中出現了不少問題，導致了新的網絡協議TCP/IP的出現。雖然TCP協議和IP協議都不是OSI標準，但它們是目前最流行的商業化的協議，并被公認為當前的工業標準或“事實上的標準”。1974年，Kahn最早定義出了的TCP/IP參考模型(TCP/IP Reference Model ); 1985年由Leiner等人對該模型做了進一步的研究；1988年Clark對該模型的設計思想進行了討論。

今天，Internet己經發展得更加商業化，更加面向消費者，盡管基本目的發生了改變，但其最初的質量標準(也就是開放式、抗毀性和可靠性)依然是必需的。這些特性包括可靠傳輸數據、自動檢測、避免網絡發生錯誤等。更重要的就是TCP/IP是一個開放式的通信協議，開放性就意味著在任何組合間，不管這些設備的物理特征有多大差異，都可以進行通信。

2 標準TCP/IP協議

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參考模型更側重于互聯設備間的數據傳送，而不是嚴格的功能層次劃分。TCP/IP通過解釋功能層次分布的重要性來做到這一點，但它仍為設計者具體實現協議留下很大的余地。因此，OSI參考模型適用于解釋互聯網絡的通信機制，而TCP/IP更適合做互聯網絡協議的市場標準。

TCP/IP協議是一套把因特網上的各種系統互聯起來的協議組，可以保證因特網上數據準確又快速地傳輸。TCP/IP協議是一個很大的協議族，通常表示為一個簡化的四層模型。這四層分別是應用層、傳輸層、網絡層和鏈路層。其中一些常用協議在TCP/IP分層模型中所處的位置如圖1所示。

圖1TCP/IP層次結構圖

3IP協議的實現

3.1 IP數據報格式

IP ( Internet Protocol，互聯網協議)是TCP/IP協議中一個最重要的協議。IP數據報以32比特為一個計數單位(組)，其格式如圖2所示。

圖21P數據報格式

3.2IP協議的軟件實現

IP是TCP/IP協議中最為核心的協議。所有的數據都以IP數據報格式傳輸。IP協議可以實現無連接數據報傳送、數據報路由選擇和差錯控制的功能。在本課題中，由于單片機資源有限，結合實際需要只實現了IP數據報傳送和接收，沒有實現路由選擇算法和差錯控制，同時也不支持IP數據報的分片和重組。

IP協議主要通過IP接收函數和IP發送函數兩個函數實現。

①IP發送函數

void ip_send對來自上層的數據，按照IP數據報的結構構造數據報。通過調用ARP處理程序解析對應IP的物理地址。若返回NULL值，則將數據存入一個已定義的結構體WAITE中，并發送ARP請求。若返回對應IP的物理地址，則將數據交給底層以太網驅動程序處理。

②IP接收函數

void ip rcve (UCHAR xdata*inbuf)單片機收到數據包之后，應先對數據包的類型進行判斷。如果是IP數據報，則調用該程序。接著再判斷其數據域中所使用的協議類型，是ICMP協議調用ICMP處理子程序，是UDP協議調用UDP處理子程序，是TCP協議調用TCP處理子程序，其它返回。程序流程圖如圖3所示：

圖3IP接收過程流程圖

3.3 校驗和算法

在大多數TCP/IP協議中采用的差錯檢驗方法是校驗和，校驗和是在分組上附加的信息。校驗和能夠防止分組在傳輸時所受到的損傷。在發送端先計算檢驗和并將得到的結果與分組一起發送過去。接收端對包括校驗和的整個分組重復進行同樣的計算。若得到的結果正確則接收此分組，否則就將其丟棄。發送端和接收端的校驗和計算方法分別如下:

①發送端按以下步驟產生校驗和

②接收端按以下步驟產生校驗和

下面給出校驗和算法的源程序：

UINT Checksum (UCHAR xdata *checks UINT length)//計算校驗和

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

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

{sum+=*ptr++;}

if (length0x01)//表示長度為單數

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

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

if(sumOxffffU000){sum++;}//表示有進位

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

4TCP協議的實現

4.1 TCP數據報格式

TCP（Transfer Control Protocol，傳輸控制協議)是傳輸層最常用的協議，是一個比較復雜的協議。TCP和IP一樣，也是TCP/IP協議族中最重要的協議。它可以提供面向連接的、可靠的數據傳輸服務。TCP數據報文段格式如圖4所示：

圖4TCP報文段的格式

4.2 TCP協議的實現

TCP協議的實現是整個TCP/IP協議棧中最復雜的一個。TCP協議是面向連接的、端對端的可靠通信協議。TCP采取了很多機制來保證它的可靠性，比如TCP連接的建立與關閉機制、超時重傳機制、數據包確認機制、流量控制機制等等。在嵌入式系統中實現TCP協議所要做的就是實現這些機制，當然要在不影響協議棧功能的前提下適當做一下簡化。

4.3TCP的超時重傳與流量控制機制的實現

當一個TCP連接順利建立起來后，TCP連接的雙方可以互相傳遞數據了。TCP的可靠傳輸是靠確認機制來實現的，也就是每發送一個數據包后，只有接收到對方發送確認包后，才能確定該數據包已經成功發送，否則就要重發。

TCP的流量控制是為了協調通信雙方的收發速率不均衡而設計的。遠端的客戶機一般是通用計算機，相對與本地的嵌入式Web Server來說運行速度要快得多。因此，當遠端快的發送方向本地慢的接收方發送數據的時候，如果發送速度很快，則會導致本端來不及處理，甚至導致死機。TCP連接建立時，雙方會利用TCP首部中的Window窗口字段通報雙方的可用窗口。實際上，接收方通報的窗口大小是根據其接收緩存的大小而定，考慮到本系統在使用TCP協議時，只設置了一個中等IP包大小接收緩存，因此接收窗口設為1024。同時，每次接收包的ACK確認時，窗口大小不再動態改變，恒定設置為1024。這樣遠端主機就會以較慢的傳輸速率與本端的Web Server進行通信。

5 結論

本文主要針對目前流行的TCP/IP網絡通信協議的實現進行研究和探索，由于時間倉促，加上本人對該領域的研究才剛剛起步，所以還存在一些問題值得進一步研究探討，主要有:

(1) 對于TCP/IP協議，時間的控制非常重要。包括TCP的超時重傳，TCP狀態的保活等。如果時間處理不當，將影響整個系統的通訊性能。

(2)如何進一步實現TCP/IP對于多點通信以及完整協議棧的實現還有待于進一步研究。

(3) IPv6作為下一代互聯網的核心協議，能夠提供幾乎無限的地址空間，從根本上克服了IPv4中地址空間不足的問題。因此，下一步可增加對IPv6協議的研究與實現。

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作者簡介：張凱（1980－），男，湖南益陽人，廣東省湛江師范學院，助教，主要研究方向：計算機網絡工程。（廣東 湛江 524300）

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