TCP/IP网络通信协议的实现与探讨

摘要：TCP/IP协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)是目前最成功的网络通信协议，它被用于当今所构筑的最大的开放式网络系统Internet之上就是其成功的证明。TCP/IP协议具有广泛的兼容性和可伸缩性，可连接不同的计算机网络协议、不同的网络设备。TCP/IP事实上己成为网络互联的标准，并成为支持Internet/Intranet的协议标淮。本文就是针对当前流行的TCP/IP网络通信协议的实现进行了具体的研究和探讨。

关键词：TCP/IP协议；Internet；网络通信

1 前言

TCP/IP初步架构的出现源于1964年，冷战时期美国国防部高级研究计划局DARPA提出ARPANET研究计划，目的是希望美国国防部的很多主机、通信控制处理机和通信线路在战争中，如部分遭到攻击而损坏时，其它部分还能正常工作，同时它希望适应从文件传送到实时数据传输的各种应用需求，因此它要求的是一种灵活的网络体系结构，实现异型网的互联(Interconection)与互通(Intercomunication)。

最初ARPANET使用的是租用线路。当卫星通信系统与通信网发展起来之后，ARPANET最初开发的网络协议NCP (Net Control Protocol，网络控制协议)因其在通信可靠性较差的通信子网中出现了不少问题，导致了新的网络协议TCP/IP的出现。虽然TCP协议和IP协议都不是OSI标准，但它们是目前最流行的商业化的协议，并被公认为当前的工业标准或“事实上的标准”。1974年，Kahn最早定义出了的TCP/IP参考模型(TCP/IP Reference Model ); 1985年由Leiner等人对该模型做了进一步的研究；1988年Clark对该模型的设计思想进行了讨论。

今天，Internet己经发展得更加商业化，更加面向消费者，尽管基本目的发生了改变，但其最初的质量标准(也就是开放式、抗毁性和可靠性)依然是必需的。这些特性包括可靠传输数据、自动检测、避免网络发生错误等。更重要的就是TCP/IP是一个开放式的通信协议，开放性就意味着在任何组合间，不管这些设备的物理特征有多大差异，都可以进行通信。

2 标准TCP/IP协议

如同OSI参考模型一样，TCP/IP也是一种分层模型。与OSI参考模型不同的是，TCP/IP参考模型更侧重于互联设备间的数据传送，而不是严格的功能层次划分。TCP/IP通过解释功能层次分布的重要性来做到这一点，但它仍为设计者具体实现协议留下很大的余地。因此，OSI参考模型适用于解释互联网络的通信机制，而TCP/IP更适合做互联网络协议的市场标准。

TCP/IP协议是一套把因特网上的各种系统互联起来的协议组，可以保证因特网上数据准确又快速地传输。TCP/IP协议是一个很大的协议族，通常表示为一个简化的四层模型。这四层分别是应用层、传输层、网络层和链路层。其中一些常用协议在TCP/IP分层模型中所处的位置如图1所示。

图1TCP/IP层次结构图

3IP协议的实现

3.1 IP数据报格式

IP ( Internet Protocol，互联网协议)是TCP/IP协议中一个最重要的协议。IP数据报以32比特为一个计数单位(组)，其格式如图2所示。

图21P数据报格式

3.2IP协议的软件实现

IP是TCP/IP协议中最为核心的协议。所有的数据都以IP数据报格式传输。IP协议可以实现无连接数据报传送、数据报路由选择和差错控制的功能。在本课题中，由于单片机资源有限，结合实际需要只实现了IP数据报传送和接收，没有实现路由选择算法和差错控制，同时也不支持IP数据报的分片和重组。

IP协议主要通过IP接收函数和IP发送函数两个函数实现。

①IP发送函数

void ip_send对来自上层的数据，按照IP数据报的结构构造数据报。通过调用ARP处理程序解析对应IP的物理地址。若返回NULL值，则将数据存入一个已定义的结构体WAITE中，并发送ARP请求。若返回对应IP的物理地址，则将数据交给底层以太网驱动程序处理。

②IP接收函数

void ip rcve (UCHAR xdata*inbuf)单片机收到数据包之后，应先对数据包的类型进行判断。如果是IP数据报，则调用该程序。接着再判断其数据域中所使用的协议类型，是ICMP协议调用ICMP处理子程序，是UDP协议调用UDP处理子程序，是TCP协议调用TCP处理子程序，其它返回。程序流程图如图3所示：

图3IP接收过程流程图

3.3 校验和算法

在大多数TCP/IP协议中采用的差错检验方法是校验和，校验和是在分组上附加的信息。校验和能够防止分组在传输时所受到的损伤。在发送端先计算检验和并将得到的结果与分组一起发送过去。接收端对包括校验和的整个分组重复进行同样的计算。若得到的结果正确则接收此分组，否则就将其丢弃。发送端和接收端的校验和计算方法分别如下:

①发送端按以下步骤产生校验和

②接收端按以下步骤产生校验和

下面给出校验和算法的源程序：

UINT Checksum (UCHAR xdata *checks UINT length)//计算校验和

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

for (i=0:i

{sum+=*ptr++;}

if (length&0x01)//表示长度为单数

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

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

if(sum&OxffffU000){sum++;}//表示有进位

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

4TCP协议的实现

4.1 TCP数据报格式

TCP（Transfer Control Protocol，传输控制协议)是传输层最常用的协议，是一个比较复杂的协议。TCP和IP一样，也是TCP/IP协议族中最重要的协议。它可以提供面向连接的、可靠的数据传输服务。TCP数据报文段格式如图4所示：

图4TCP报文段的格式

4.2 TCP协议的实现

TCP协议的实现是整个TCP/IP协议栈中最复杂的一个。TCP协议是面向连接的、端对端的可靠通信协议。TCP采取了很多机制来保证它的可靠性，比如TCP连接的建立与关闭机制、超时重传机制、数据包确认机制、流量控制机制等等。在嵌入式系统中实现TCP协议所要做的就是实现这些机制，当然要在不影响协议栈功能的前提下适当做一下简化。

4.3TCP的超时重传与流量控制机制的实现

当一个TCP连接顺利建立起来后，TCP连接的双方可以互相传递数据了。TCP的可靠传输是靠确认机制来实现的，也就是每发送一个数据包后，只有接收到对方发送确认包后，才能确定该数据包已经成功发送，否则就要重发。

TCP的流量控制是为了协调通信双方的收发速率不均衡而设计的。远端的客户机一般是通用计算机，相对与本地的嵌入式Web Server来说运行速度要快得多。因此，当远端快的发送方向本地慢的接收方发送数据的时候，如果发送速度很快，则会导致本端来不及处理，甚至导致死机。TCP连接建立时，双方会利用TCP首部中的Window窗口字段通报双方的可用窗口。实际上，接收方通报的窗口大小是根据其接收缓存的大小而定，考虑到本系统在使用TCP协议时，只设置了一个中等IP包大小接收缓存，因此接收窗口设为1024。同时，每次接收包的ACK确认时，窗口大小不再动态改变，恒定设置为1024。这样远端主机就会以较慢的传输速率与本端的Web Server进行通信。

5 结论

本文主要针对目前流行的TCP/IP网络通信协议的实现进行研究和探索，由于时间仓促，加上本人对该领域的研究才刚刚起步，所以还存在一些问题值得进一步研究探讨，主要有:

(1) 对于TCP/IP协议，时间的控制非常重要。包括TCP的超时重传，TCP状态的保活等。如果时间处理不当，将影响整个系统的通讯性能。

(2)如何进一步实现TCP/IP对于多点通信以及完整协议栈的实现还有待于进一步研究。

(3) IPv6作为下一代互联网的核心协议，能够提供几乎无限的地址空间，从根本上克服了IPv4中地址空间不足的问题。因此，下一步可增加对IPv6协议的研究与实现。

参考文献

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作者简介：张凯（1980－），男，湖南益阳人，广东省湛江师范学院，助教，主要研究方向：计算机网络工程。（广东 湛江 524300）

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