嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)編程之：TCP/IP協(xié)議概述

讀者一定都聽說過著名的OSI協(xié)議參考模型，它是基于國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的建議發(fā)展起來的，從上到下共分為7層：應(yīng)用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層及物理層。這個7層的協(xié)議模型雖然規(guī)定得非常細(xì)致和完善，但在實(shí)際中卻得不到廣泛的應(yīng)用，其重要的原因之一就在于它過于復(fù)雜。但它仍是此后很多協(xié)議模型的基礎(chǔ)，這種分層架構(gòu)的思想在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

與此相區(qū)別的TCP/IP協(xié)議模型從一開始就遵循簡單明確的設(shè)計(jì)思路，它將TCP/IP的7層協(xié)議模型簡化為4層，從而更有利于實(shí)現(xiàn)和使用。TCP/IP的協(xié)議參考模型和OSI協(xié)議參考模型的對應(yīng)關(guān)系如圖10.1所示。

圖10.1OSI模型和TCP/IP參考模型對應(yīng)關(guān)系

下面分別對TCP/IP的4層模型進(jìn)行簡要介紹。

n 網(wǎng)絡(luò)接口層：負(fù)責(zé)將二進(jìn)制流轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)幀，并進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收。要注意的是數(shù)據(jù)幀是獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸單元。

n 網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)幀封裝成IP數(shù)據(jù)包，并運(yùn)行必要的路由算法。

n 傳輸層：負(fù)責(zé)端對端之間的通信會話連接與建立。傳輸協(xié)議的選擇根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式而定。

n 應(yīng)用層：負(fù)責(zé)應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)訪問，這里通過端口號來識別各個不同的進(jìn)程。

雖然TCP/IP名稱只包含了兩個協(xié)議，但實(shí)際上，TCP/IP是一個龐大的協(xié)議族，它包括了各個層次上的眾多協(xié)議，圖10.2列舉了各層中一些重要的協(xié)議，并給出了各個協(xié)議在不同層次中所處的位置，如下所示。

n ARP：用于獲得同一物理網(wǎng)絡(luò)中的硬件主機(jī)地址。

n MPLS：多協(xié)議標(biāo)簽協(xié)議，是很有發(fā)展前景的下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

n IP：負(fù)責(zé)在主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)之間尋址和路由數(shù)據(jù)包。

n ICMP：用于發(fā)送有關(guān)數(shù)據(jù)包的傳送錯誤的協(xié)議。

n IGMP：被IP主機(jī)用來向本地多路廣播路由器報(bào)告主機(jī)組成員的協(xié)議。

n TCP：為應(yīng)用程序提供可靠的通信連接。適合于一次傳輸大批數(shù)據(jù)的情況。并適用于要求得到響應(yīng)的應(yīng)用程序。

n UDP：提供了無連接通信，且不對傳送包進(jìn)行可靠性保證。適合于一次傳輸少量數(shù)據(jù)，可靠性則由應(yīng)用層來負(fù)責(zé)。

在此主要介紹在網(wǎng)絡(luò)編程中涉及的傳輸層TCP和UDP協(xié)議。

（1）概述。

同其他任何協(xié)議棧一樣，TCP向相鄰的高層提供服務(wù)。因?yàn)門CP的上一層就是應(yīng)用層，因此，TCP數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)了從一個應(yīng)用程序到另一個應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)傳遞。應(yīng)用程序通過編程調(diào)用TCP并使用TCP服務(wù)，提供需要準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，用來區(qū)分接收數(shù)據(jù)應(yīng)用的目的地址和端口號。

通常應(yīng)用程序通過打開一個socket來使用TCP服務(wù)，TCP管理到其他socket的數(shù)據(jù)傳遞?？梢哉f，通過IP的源/目的可以惟一地區(qū)分網(wǎng)絡(luò)中兩個設(shè)備的連接，通過socket的源/目的可以惟一地區(qū)分網(wǎng)絡(luò)中兩個應(yīng)用程序的連接。

（2）三次握手協(xié)議。

TCP對話通過三次握手來進(jìn)行初始化。三次握手的目的是使數(shù)據(jù)段的發(fā)送和接收同步，告訴其他主機(jī)其一次可接收的數(shù)據(jù)量，并建立虛連接。

下面描述了這三次握手的簡單過程。

n 初始化主機(jī)通過一個同步標(biāo)志置位的數(shù)據(jù)段發(fā)出會話請求。

n 接收主機(jī)通過發(fā)回具有以下項(xiàng)目的數(shù)據(jù)段表示回復(fù)：同步標(biāo)志置位、即將發(fā)送的數(shù)據(jù)段的起始字節(jié)的順序號、應(yīng)答并帶有將收到的下一個數(shù)據(jù)段的字節(jié)順序號。

n 請求主機(jī)再回送一個數(shù)據(jù)段，并帶有確認(rèn)順序號和確認(rèn)號。

圖10.3就是這個流程的簡單示意圖。

圖10.3TCP三次握手協(xié)議

TCP實(shí)體所采用的基本協(xié)議是滑動窗口協(xié)議。當(dāng)發(fā)送方傳送一個數(shù)據(jù)報(bào)時，它將啟動計(jì)時器。當(dāng)該數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)目的地后，接收方的TCP實(shí)體往回發(fā)送一個數(shù)據(jù)報(bào)，其中包含有一個確認(rèn)序號，它表示希望收到的下一個數(shù)據(jù)包的順序號。如果發(fā)送方的定時器在確認(rèn)信息到達(dá)之前超時，那么發(fā)送方會重發(fā)該數(shù)據(jù)包。

（3）TCP數(shù)據(jù)包頭。

圖10.4給出了TCP數(shù)據(jù)包頭的格式。

TCP數(shù)據(jù)包頭的含義如下所示。

n 源端口、目的端口：16位長。標(biāo)識出遠(yuǎn)端和本地的端口號。

圖10.4TCP數(shù)據(jù)包頭的格式

n 序號：32位長。標(biāo)識發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)的順序。

n 確認(rèn)號：32位長。希望收到的下一個數(shù)據(jù)包的序列號。

n TCP頭長：4位長。表明TCP頭中包含多少個32位字。

n 6位未用。

n ACK：ACK位置1表明確認(rèn)號是合法的。如果ACK為0，那么數(shù)據(jù)報(bào)不包含確認(rèn)信息，確認(rèn)字段被省略。

n PSH：表示是帶有PUSH標(biāo)志的數(shù)據(jù)。接收方因此請求數(shù)據(jù)包一到便將其送往應(yīng)用程序而不必等到緩沖區(qū)裝滿時才傳送。

n RST：用于復(fù)位由于主機(jī)崩潰或其他原因而出現(xiàn)的錯誤連接。還可以用于拒絕非法的數(shù)據(jù)包或拒絕連接請求。

n SYN：用于建立連接。

n FIN：用于釋放連接。

n 窗口大?。?6位長。窗口大小字段表示在確認(rèn)了字節(jié)之后還可以發(fā)送多少個字節(jié)。

n 校驗(yàn)和：16位長。是為了確保高可靠性而設(shè)置的。它校驗(yàn)頭部、數(shù)據(jù)和偽TCP頭部之和。

n 可選項(xiàng)：0個或多個32位字。包括最大TCP載荷，滑動窗口比例以及選擇重發(fā)數(shù)據(jù)包等選項(xiàng)。

（1）概述。

UDP即用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，它是一種無連接協(xié)議，因此不需要像TCP那樣通過三次握手來建立一個連接。同時，一個UDP應(yīng)用可同時作為應(yīng)用的客戶或服務(wù)器方。由于UDP協(xié)議并不需要建立一個明確的連接，因此建立UDP應(yīng)用要比建立TCP應(yīng)用簡單得多。

UDP協(xié)議從問世至今已經(jīng)被使用了很多年，雖然其最初的光彩已經(jīng)被一些類似協(xié)議所掩蓋，但是在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量越來越高的今天，UDP的應(yīng)用得到了大大的增強(qiáng)。它比TCP協(xié)議更為高效，也能更好地解決實(shí)時性的問題。如今，包括網(wǎng)絡(luò)視頻會議系統(tǒng)在內(nèi)的眾多的客戶/服務(wù)器模式的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都使用UDP協(xié)議。

（2）UDP數(shù)據(jù)報(bào)頭。

UDP數(shù)據(jù)報(bào)頭如下圖10.5所示。

n 源地址、目的地址：16位長。標(biāo)識出遠(yuǎn)端和本地的端口號。

n 數(shù)據(jù)報(bào)的長度是指包括報(bào)頭和數(shù)據(jù)部分在內(nèi)的總的字節(jié)數(shù)。因?yàn)閳?bào)頭的長度是固定的，所以該域主要用來計(jì)算可變長度的數(shù)據(jù)部分（又稱為數(shù)據(jù)負(fù)載）。

協(xié)議的選擇應(yīng)該考慮到以下3個方面。

（1）對數(shù)據(jù)可靠性的要求。

對數(shù)據(jù)要求高可靠性的應(yīng)用需選擇TCP協(xié)議，如驗(yàn)證、密碼字段的傳送都是不允許出錯的，而對數(shù)據(jù)的可靠性要求不那么高的應(yīng)用可選擇UDP傳送。

（2）應(yīng)用的實(shí)時性。

TCP協(xié)議在傳送過程中要使用三次握手、重傳確認(rèn)等手段來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。使用TCP協(xié)議會有較大的時延，因此不適合對實(shí)時性要求較高的應(yīng)用，如VOIP、視頻監(jiān)控等。相反，UDP協(xié)議則在這些應(yīng)用中能發(fā)揮很好的作用。

（3）網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

由于TCP協(xié)議的提出主要是解決網(wǎng)絡(luò)的可靠性問題，它通過各種機(jī)制來減少錯誤發(fā)生的概率。因此，在網(wǎng)絡(luò)狀況不是很好的情況下需選用TCP協(xié)議（如在廣域網(wǎng)等情況），但是若在網(wǎng)絡(luò)狀況很好的情況下（如局域網(wǎng)等）就不需要再采用TCP協(xié)議，而建議選擇UDP協(xié)議來減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。