西门子SIEMENS模块6ES7416-2XP07-0AB0

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手把手教你手撸通讯协议(三)-开始手撕TCP



接下去我们还是通过开源的LwIP协议栈来好好了解以太网的真实工作方式,我将会在这一期的终期,给大家实现一个基于STM32的modbusTCP 主站的小demo。


初识TCP

TCP中文名叫传输控制协议,它为上层提供一种面向连接的、可靠的字节流服务;
那TCP通过什么方法来提供可靠性?
(1)先将应用数据分割成TCP认为适合发送的数据块;
(2)当TCP发出一个段后,它启动一个定时器,等待目的端确认收到这个报文段,如果不能及时收到一个确认,将重发这个报文段;
(3)当TCP收到发自 TCP连接另一端的数据,它将发送一个确认,这个确认不是立即发送,通常将推迟几分之一秒;
(4)TCP将保持它首部和数据的检验和,如果收到段的检验和有差错,TCP将丢弃这个报文段并且不发送确认收,以使发送端超时并重发;
(5)IP数据报的到达可能会失序,因此TCP 报文段的到达也可能会失序,如果必要,TCP将对收到的数据进行重新排序,将收到的数据以正确的顺序交给应用层;
(6)IP数据报会发生重复,TCP的接收端必须丢弃重复的数据;
(7)TCP还能提供流量控制。

下图是 TCP首部结构,若不计任选字段,其大小为20 字节,与 IP 报首部大小相同。 
 源端口号和目的端口号,用于标识发送端和接收端的应用进程。这两个值加上IP首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一确定一个TCP连接。一个IP地址和一个端口号也称为一个插口(socket)。
在TCP首部中有6个标志比特。它们中的多个可同时被设置为1。在这里简单介绍它们的用法,在以后用到时会详加讲解:URG 紧急指针(urgent pointer)有效标识;ACK确认序号有效标识;PSH接收方应该尽快将这个报文段交给应用层;RST重建连接;SYN同步序号,用来发起一个连接;FIN请求端完成发送任务。
根据上图,在LwIP中是这样描述TCP报头:
struct tcp_hdr
{
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t src); // 源端口
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t dest); // 目的端口
    PACK_STRUCT_FIELD(u32_t seqno); // 序号
    PACK_STRUCT_FIELD(u32_t ackno); // 确认序号
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _hdrlen_rsvd_flags); // 首部长度+保留位+标志位
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t wnd); // 窗口大小
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t chksum); // 校验和
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t urgp); // 紧急指针
}PACK_STRUCT_STRUCT;


第二节

 TCP的断开和连接

众所周知的TCP有三次握手和四次挥手。 
 (图来自网上,挺常见的)


2.1

TCP连接建立

TCP要建立连接需要经历三次握手,那如何实现三次握手呢?
(1)请求端发送一个SYN标志置1的TCP数据报,数据包中指明自己的端口号及将连接的服务器的端口号,同时通告自己的初始序号ISN。
(2)当服务器接收到该数据包并解析后,也发回一个 SYN 报文段作为应答。
(3)该回应报文包服务器自身选定的初始序号ISN,同时,将ACK置1,将确认序号设置为请求端的ISN加1以对客户的SYN报文段进行确认。
(4)这里的ISN 也表示了服务器希望接收到的下一个字节的序号。由此可见,一个SYN将占用了一个序号。
(5)当请求端接收到服务器的 SYN 应答包后,会再次产生一个握手包,这个包中,ACK标志置位,确认序号设置为服务器发送的ISN加1,以此来实现对服务器的SYN报文段的确认。 


图片

但这边会存在一个问题,如果两端同时发起连接,即同时发送个 SYN 数据包,这时这两端都处于主动打开状态,TCP中又是如何解决的?


图片

2.2 

TCP断开

为什么断开需要四次挥手?四次挥手做了啥?
(1)请求端发起中断连接请求,也就是发送FIN报文,意思是说"我请求端没有数据要发给你了,但是如果你还有数据没有发送完成,则不必急着关闭Socket,可以继续发送数据"。
(2)服务端接到FIN报文后,先发送ACK,"告诉请求端,你的请求我收到了,但是我还没准备好,请继续你等我的消息"。
(3)请求端就进入FIN_WAIT状态,继续等待服务端的FIN报文。
(4)当服务端确定数据已发送完成,则向请求端发送FIN报文,"告诉请求端,好了,我这边数据发完了,准备好关闭连接了"。
(5)请求端收到FIN报文后,"就知道可以关闭连接了,但是他还是不相信网络,怕服务端不知道要关闭,所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态,如果服务端没有收到ACK则可以重传。
(6)服务端收到ACK后,"就知道可以断开连接了"。
(7)请求端等待了2MSL后依然没有收到回复,则证明服务端已正常关闭,那好,请求端也可以关闭连接了。 
这七个步骤可以很清晰的看到为啥要进行四次挥手,确认TCP断开。    


第三节

TCP的状态转换

从上述三次握手建立连接到四次挥手断开连接过程中,其实可以总结到两张图:请求端状态切换图和服务端状态切换图。 
这两个图结合起来就是TCP的状态转换图了,(图来自详解)。 

第四节

TCP控制块解读

上面主要让大家对TCP这个协议有基本的认识,接下去我们要进行一些源码解读。
struct tcp_pcb
{
    IP_PCB; //这是一个宏,描述了连接的 IP相关信息,包括双方IP地址,TTL等信息
    struct tcp_pcb *next; //用于连接各个TCP控制块的链表指针
    enum tcp_state state; //TCP 连接的状态,即为状态图中描述的那些状态
    u8_t prio; //该控制块的优先级
    void* callback_arg;// 
    u16_t local_port; //本地端口
    u16_t remote_port; //远程端口
    u8_t flags;// 附加状态信息,如连接是快速恢复、一个被延迟的 ACK 是否被发送等
    #define TF_ACK_DELAY (u8_t)0x01U /延迟发送 ACK(推迟确认)
    #define TF_ACK_NOW (u8_t)0x02U /立即发送 ACK
    #define TF_INFR ((u8_t)0x04U) //连接处于快重传状态
    #define TF_TIMESTAMP ((u8_t)0x08U) //连接的时间戳选项已使能
    #define TF_FIN ((u8_t)0x20U) //应用程序已关闭该连接
    #define TF_NODELAY ((u8_t)0x40U) //禁止 Nagle 算法
    #define TF_NAGLEMEMERR ((u8_t)0x80U) //本地缓冲区溢出
    // 接收相关字段
    u32_t rcv_nxt; //期望接收的下一个字节,即它向发送端 ACK 的序号
    u16_t rcv_wnd; //接收窗口
    u16_t rcv_ann_wnd; //通告窗口大小
    u32_t tmr; // 该字段记录该 PCB 被创建的时刻
    u8_t polltmr, pollinterval; // 三个定时器,后续讲解 
    u16_t rtime; //重传定时,该值随时间增加,当大于 rto 的值时则重传发生
    u16_t mss; //大数据段大小
    //RTT 估计相关的参数
    u32_t rttest; //估计得到的 500ms 滴答数
    u32_t rtseq; //用于测试 RTT 的包的序号
    s16_t sa, sv; //RTT 估计出的平均值及其时间差
    u16_t rto; // 重发超时时间,利用前面的几个值计算出来
    u8_t nrtx; // 重发的次数,该字段在数据包多次超时时被使用到,与设置 rto 的值相关
    // 快速重传/恢复相关的参数
    u32_t lastack; // 大的确认序号,该字段不解
    u8_t dupacks; // 上面这个序号被重传的次数
    // 阻塞控制相关参数
    u16_t cwnd; //连接的当前阻塞窗口
    u16_t ssthresh; // 慢速启动阈值
    // 发送相关字段
    u32_t snd_nxt, // 下一个将要发送的字节序号
    snd_max, // 高的发送字节序号
    snd_wnd, // 发送窗口
    snd_wl1, snd_wl2, // 上次窗口更新时的数据序号和确认序号
    snd_lbb; // 发送队列中后一个字节的序号
    u16_t acked; // 
    u16_t snd_buf; // 可用的发送缓冲字节数
    u8_t snd_queuelen; // 可用的发送包数
    struct tcp_seg *unsent; // ᳾发送的数据段队列
    struct tcp_seg *unacked; // 发送了未收到确认的数据队列
    struct tcp_seg *ooseq; // 接收到序列以外的数据包队列

    #if LWIP_CALLBACK_API // 回调函数
    err_t (* sent)(void *arg, struct tcp_pcb *pcb, u16_t space)? //当数据被成功发送后被调用
    err_t (* recv)(void *arg, struct tcp_pcb *pcb, struct pbuf *p, err_t err)? //接收到数据后被调用
    err_t (* connected)(void *arg, struct tcp_pcb *pcb, err_t err)? //连接建立后被调用
    err_t (* poll)(void *arg, struct tcp_pcb *pcb)? //该函数被内核周期性调用
    void (* errf)(void *arg, err_t err)? //连接发生错误时调用
    #endif  
    
    u32_t keep_idle;
    #if LWIP_TCP_KEEPALIVE
     u32_t keep_intvl; // 保活定时器,用于检测空闲连接的另一端是否崩溃
     u32_t keep_cnt; //坚持定时器计数值
    #endif  
    u32_t persist_cnt; // 这两个字段可以使窗口大小信息保持不断流动
    u8_t persist_backoff;//坚持定时器探查报文发送的数目
    u8_t keep_cnt_sent; //保活报文发送的次数




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发布时间
2024-05-14 10:53
所属行业
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编号
41087808
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