嵌入式Linux網(wǎng)絡編程之：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，它是基于國際標準化組織（ISO）的建議發(fā)展起來的，從上到下共分為7層：應用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡層、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)定得非常細致和完善，但在實際中卻得不到廣泛的應用，其重要的原因之一就在于它過于復雜。但它仍是此后很多協(xié)議模型的基礎，這種分層架構(gòu)的思想在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。

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計思路，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)議參考模型的對應關(guān)系如圖10.1所示。

圖10.1OSI模型和TCP/IP參考模型對應關(guān)系

下面分別對TCP/IP的4層模型進行簡要介紹。

n 網(wǎng)絡接口層：負責將二進制流轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)幀，并進行數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收。要注意的是數(shù)據(jù)幀是獨立的網(wǎng)絡信息傳輸單元。

n 網(wǎng)絡層：負責將數(shù)據(jù)幀封裝成IP數(shù)據(jù)包，并運行必要的路由算法。

n 傳輸層：負責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 應用層：負責應用程序的網(wǎng)絡訪問，這里通過端口號來識別各個不同的進程。

雖然TCP/IP名稱只包含了兩個協(xié)議，但實際上，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)絡中的硬件主機地址。

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

n IP：負責在主機和網(wǎng)絡之間尋址和路由數(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主機用來向本地多路廣播路由器報告主機組成員的協(xié)議。

n TCP：為應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的應用程序。

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

在此主要介紹在網(wǎng)絡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。因為TCP的上一層就是應用層，因此，TCP數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)了從一個應用程序到另一個應用程序的數(shù)據(jù)傳遞。應用程序通過編程調(diào)用TCP并使用TCP服務，提供需要準備發(fā)送的數(shù)據(jù)，用來區(qū)分接收數(shù)據(jù)應用的目的地址和端口號。

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

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

n 接收主機通過發(fā)回具有以下項目的數(shù)據(jù)段表示回復：同步標志置位、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 請求主機再回送一個數(shù)據(jù)段，并帶有確認順序號和確認號。

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實體所采用的基本協(xié)議是滑動窗口協(xié)議。當發(fā)送方傳送一個數(shù)據(jù)報時，它將啟動計時器。當該數(shù)據(jù)報到達目的地后，接收方的TCP實體往回發(fā)送一個數(shù)據(jù)報，其中包含有一個確認序號，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信息到達之前超時，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。標識出遠端和本地的端口號。

圖10.4TCP數(shù)據(jù)包頭的格式

n 序號：32位長。標識發(fā)送的數(shù)據(jù)報的順序。

n 確認號：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表明確認號是合法的。如果ACK為0，那么數(shù)據(jù)報不包含確認信息，確認字段被省略。

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

n RST：用于復位由于主機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 窗口大小：16位長。窗口大小字段表示在確認了字節(jié)之后還可以發(fā)送多少個字節(jié)。

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

n 可選項：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。

（1）概述。

UDP即用戶數(shù)據(jù)報協(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應用可同時作為應用的客戶或服務器方。由于UDP協(xié)議并不需要建立一個明確的連接，因此建立UDP應用要比建立TCP應用簡單得多。

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)絡質(zhì)量越來越高的今天，UDP的應用得到了大大的增強。它比TCP協(xié)議更為高效，也能更好地解決實時性的問題。如今，包括網(wǎng)絡視頻會議系統(tǒng)在內(nèi)的眾多的客戶/服務器模式的網(wǎng)絡應用都使用UDP協(xié)議。

（2）UDP數(shù)據(jù)報頭。

UDP數(shù)據(jù)報頭如下圖10.5所示。

n 源地址、目的地址：16位長。標識出遠端和本地的端口號。

n 數(shù)據(jù)報的長度是指包括報頭和數(shù)據(jù)部分在內(nèi)的總的字節(jié)數(shù)。因為報頭的長度是固定的，所以該域主要用來計算可變長度的數(shù)據(jù)部分（又稱為數(shù)據(jù)負載）。

協(xié)議的選擇應該考慮到以下3個方面。

（1）對數(shù)據(jù)可靠性的要求。

對數(shù)據(jù)要求高可靠性的應用需選擇TCP協(xié)議，如驗證、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用可選擇UDP傳送。

（2）應用的實時性。

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

（3）網(wǎng)絡的可靠性。

由于TCP協(xié)議的提出主要是解決網(wǎng)絡的可靠性問題，它通過各種機制來減少錯誤發(fā)生的概率。因此，在網(wǎng)絡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)絡負荷。