一 概述
TCP协议广泛应用于可靠性要求较高的应用场景,如网页浏览、文件传输、电子邮件等。它提供了可靠的数据传输和流控制机制,能够确保数据的完整性和有序性。然而,由于TCP协议在传输过程中引入了较多的控制信息,因此相比于UDP协议,TCP的传输速度较慢。
和UDP区别
- 是否连接: 可以想象成打电话,比如A给B打电话,只有建立好连接才能通信(交换数据),这种是有连接.而是用微信发消息,不需要建立连接则是无连接
- 是否可靠传输: 这里的可靠,并不是指A给B的数据一定完全能让B收到,只能确保B是不是收到了
- 字节流和数据报: TCP和文件IO一样基于 “流”,UDP则是以"数据报"为基本单位
- 全双工: 一个通道,双向通信
二 TCP协议内容
1 格式
- 源端口:表示发送方的端口号。
- 目标端口:表示接收方的端口号。
- 4位首部长度: 用于描述TCP报头有多长,这里的单位是4个字节.如果这里是1111->15,表示报头的长度是60
注: TCP的报头长度是可变的,在下面有一个选项(可有可无),可以有一个选项,也可以有多个.
- TCP报头前面20个字节是固定的,后面的选项是可变的,选项可以是0个字节,最多是40个字节
- 保留位: 协议中预留的一些位,目前没有特定定义或使用规则。以便以后进行扩展或未来使用。
- 校验和:用于检测数据报的完整性
三 TCP应答机制
TCP是可靠的传输协议,确认应答机制是TCP保证可靠性的最核心机制!
在确认应答机制中,发送方在发送数据包后会等待接收方发送确认消息。如果发送方在一定的时间内没有收到确认消息,它会认为数据包丢失或发生错误,并会重新发送数据包。接收方通过发送确认消息来告知发送方数据包已成功接收,或者指示需要重发某个数据包。
- 普通报文: ACK这一位为0
- 应答报文: ACK这一位为1
特殊情况:如果客户端一次性给服务器发多条消息,那么浏览器的应答就会产生歧义
如下图:
在网络上有一种特殊情况,“后发先至”,后发的请求可能先到
因此就会产生上述两种情况.
为了解决上述问题,就可以针对请求和应答报文进行编号!
跟对编号就可以很明确的分出是哪个请求的应答.即使出现"后发先至"的情况也没有问题
而这个编号就对应TCP报文结构中的32位序号和32位确认序号
注: TCP报头只能存一个序号,存的是最后一个字节的序号,是根据报文长度来算的
上述数据的传输过程也不是一帆风顺的,可能会出现丢包,如果丢包,这就需要TCP的超时重传机制了
四 TCP重传机制
超时重传是当发送方发送数据包后,如果在一定的时间内未收到接收方的确认消息(ACK),发送方会认为数据包可能丢失或发生错误,并会重新发送该数据包。
超时重传机制的工作原理如下:
发送方发送数据包后,等待接收方的确认消息。
如果在设定的时间内,发送方未收到接收方的确认消息,就会认为数据包丢失或发生错误。
发送方会重新发送相同的数据包。
接收方收到重复的数据包时,会丢弃重复数据包,并发送之前已接收到的最后一个正确的确认消息。
发送方在收到接收方的确认消息后,继续发送下一个数据包。
超时时间如何确定?
一般操作系统中有一个配置项,描述超时时间的阈值.
如果第一次出现丢包,超出时间阈值后,进行重传.第二次的超时时间阈值就会比第一次更长.
如果重传几次依旧无法传输,就会重置TCP连接,如果还是连不上,就会直接释放连接
超时重传会出现两种情况:
数据报丢了
ack丢了
对于这两种情况发送方都区分不了这两种情况,对于第二种情况,接收方就会收到重复的数据,但可以根据序号进行去重
五 TCP三次握手
三次握手是在TCP协议中建立一个可靠的连接所使用的一种机制。它由发送方和接收方之间进行的三次通信组成,用于确保双方都愿意建立连接,并同步各自的初始序列号。
三次握手类似于打电话
如下图:
三次握手的过程本质上是四次数据的交互.只是中间两条数据可以合并到一起
如下图所示:
三次握手的步骤:
第一次握手(SYN):发送方向接收方发送一个带有SYN标志的数据包(SYN包),请求建立连接。发送方会随机选择一个初始序列号,并将它放在SYN包中的序列号字段中发送给接收方。
第二次握手(SYN+ACK):接收方收到SYN包后,会向发送方发送一个带有SYN和ACK标志的数据包(SYN+ACK包),表示接受建立连接的请求,并回复确认号(ACK)和自己的初始序列号。接收方还会随机选择一个初始序列号,并将它放在SYN+ACK包中的序列号字段中发送给发送方。
第三次握手(ACK):发送方收到SYN+ACK包后,会向接收方发送一个带有ACK标志的数据包(ACK包),确认接收方的确认号,并发送自己的确认号。接收方收到ACK包后,会确认发送方的确认号,并完成连接的建立。
为什么要建立连接以及建立连接的意义:
检查一下当前的网络情况是否畅通
三次握手也是在检查通信双方的发送能力和接收能力是正常的
三次握手过程中,也在协商一些重要的参数
两个重要的TCP状态:
LISTEN:表示服务器正在监听来自客户端的连接请求。服务器在LISTEN状态下,等待客户端发起连接请求。
ESTABLISHED:表示TCP连接已经建立,双方可以进行数据的传输。在ESTABLISHED状态下,双方可以互相发送数据包。
为什么两次不行
1、阻⽌重复历史连接的初始化(主要原因)
当旧的SYN报文先到达服务端,服务端回一个ACK+SYN报文
客户端收到后可以根据自身的上下文,判断这是一个历史连接(序列号过期或超时) ,那么客户端就会发送 RST 报文给服务端,表示中止这一次连接。
两次握手在收到服务端的响应后开始发生数据,不能判断当前连接是否是历史连接。
2、同步双方的初始序列号
TCP 协议的通信双方,都必须维护一个[序列号], 序列号是可靠传输的一个关键因素
接收端可以去除重复数据
接收端可以按照序列号顺序接收
标识发送的数据包,哪些已经被收到
两次握手只保证了一方的初始序列号能被对方成功接收,没办法保证双方的初始序列号都能被确认接收。
3、避免资源浪费
两次握手会造成消息滞留情况下,服务器重复接受无用的连接请求 SYN 报文,而造成重复分配资源。
只有两次握手时,如果客户端的SYN请求连接在网络中阻塞,客户端没有收到服务端的ACK报文,会重新发送SYN。
由于没有第三次握手,服务器不清楚客户端是否收到了自己发送的建立连接的 ACK 确认信号,所以每收到一个 SYN 就只能先主动建立一个连接。
六 TCP四次挥手
四次挥手是在TCP协议中用于终止一个已建立的连接的机制。它是TCP连接的正常关闭流程,由发送方和接收方之间进行的四次通信组成。
以下是四次挥手的步骤:
第一次挥手(FIN):发送方向接收方发送一个带有FIN标志的数据包(FIN包),表示发送方已经完成数据的发送,希望关闭连接。发送方不再发送数据,但仍然可以接收数据。
第二次挥手(ACK):接收方收到FIN包后,向发送方发送一个带有确认号(ACK)的数据包,表示已接收到发送方的关闭请求。接收方仍然可以发送数据。
第三次挥手(FIN):接收方向发送方发送一个带有FIN标志的数据包(FIN包),表示接收方也希望关闭连接。接收方停止发送数据,但仍然可以接收数据。
第四次挥手(ACK):发送方收到FIN包后,向接收方发送一个带有确认号(ACK)的数据包,表示已接收到接收方的关闭请求。发送方不再发送数据,也不再接收数据。
两个重要的TCP状态:
CLOSE_WAIT:表示TCP连接的一方已经收到了对方的连接终止请求(FIN包),并发送了确认(ACK包)。在CLOSE_WAIT状态下,接收方等待应用层处理完数据后的连接关闭。
TIME_WAIT:表示TCP连接的一方已经发送了连接终止请求(FIN包),并收到了对方的确认(ACK包)。在TIME_WAIT状态下,发送方等待一段时间后,保持连接状态清理(ACK包没有丢包),并释放资源。
七 TCP滑动窗口
TCP能保证可靠传输,但失去了效率.为了在保证可靠性的前提下,尽可能的提高效率,就有了滑动窗口机制
滑动窗口是在数据传输中用于流量控制和可靠传输的一种机制。它允许发送方在不等待接收方确认的情况下连续发送多个数据包,提高了传输效率。 |
在不引入滑动窗口的情况下:
发送方和接收方一应一答,可靠性确实能得到保证,但其实大部分的时间都消耗在等待ACK上了.
因此滑动窗口就是每次批量发送一波消息,然后在等一波ACK,再发一波消息
如下图所示:
上图中窗口大小是3000,主机A发送了3000字节的数据,主机B需要确认应答,如果第一个ack成功返回主机A,说明1~1000的数据发送成功,窗口就会向后移动,并发送下一条数据,保证窗口中的数据都是需要确认应答的,或者是没发出去的.
上述过程都是正常的情况下,但也会发送丢包或者乱序的情况
情况1:数据包到了,但是ACK丢了
如上图第二个ack丢了,不用做任何处理也没关系,对于可靠传输没有任何影响.右边ack的数字,1001表示1001之前的数据都受到了,2001表示2001之前的数据都受到了,3001表示3001之前的数据都受到了.(后者包括前者).
情况2:数据包丢了
假设11000的数据包丢了,.在11000的数据开始丢的时候,主机A并不知道丢了数据,会继续往下发数据.
那么主机B会在收到01000的数据前的应答中返回1001,主机A在接收到重复的几次确认之后,会重新发送11000的数据.当主机B收到11000的数据后,会把应答的数据变成最新的,例如在主机A重发01000的数据前又发了30006000的数据,并且没有丢包,在收到01000的数据后,下此应答的数字就是6001.
上述的重传过程,效率也是比较高的,并没有耽误后续数据的发送,这个称为"快速重传".
八 TCP流量控制
对于滑动窗口的大小,也并不是随意设置的.如果超出接收方的处理速度,就可能会丢失一些数据,那就还得重传这些数据.效率还得不到提升. 因为又有了流量控制机制
流量控制是在数据通信中的一种机制,用于控制发送方的数据发送速率,以适应接收方的处理能力,避免数据的丢失或拥塞。
接收方使用接收缓冲区的剩余空间大小,来作为发送方速率(滑动窗口大小)的参考数值
例如一个水桶,发送方就是往桶里放水,接收方就是出水.进水和出水的速度,就决定了 水位的高低
接收方会在收到发送方的数据后,会在返回的ACK报文中,把当前缓冲区的剩余空间大小,反馈给发送发
对应着TCP报文结构中的16位窗口大小
在TCP报文结构的选项中,有一个用于调整窗口大小的扩展因子.用于跳转滑动窗口的大小,并不是说窗口的大小最大只能是16位(64KB)
九 TCP拥塞控制
拥塞控制是用于控制在网络中发生拥塞时的数据传输速率。当网络中的流量过大,导致网络拥塞时,TCP拥塞控制机制会自动减少发送方的数据传输速率,以避免进一步加剧网络拥塞。
流量控制只是考虑了接收方的处理速率,但数据的传输还要经过很多的交换机和路由器.因此我们也要考虑这些中间结点的速率.
拥塞控制机制主要包括四个算法:慢启动、拥塞避免、快重传和快恢复。
慢启动算法是在TCP连接建立时,发送方初始的数据传输速率较低,然后逐渐增加发送方的数据传输速率,直到网络出现拥塞为止。
拥塞避免算法是在慢启动阶段结束后,发送方以线性增加的方式增加数据传输速率,以避免过快地增加网络流量。
快重传算法是当接收方收到重复的数据包时,会立即发送一个重复确认,以通知发送方有数据包丢失,从而使发送方能够更快地重传丢失的数据包。
快恢复算法是在接收到重复确认后,发送方将拥塞窗口减半,然后继续进行拥塞避免算法,以减少网络拥塞的影响。
对于流量控制和拥塞控制,本质上都是在控制窗口的大小,在实际中较小的那个作为窗口的大小
十 TCP延时应答
延时应答是指在TCP通信中,当一方发送数据给另一方时,接收方需要向发送方发送一个确认应答,表示已经成功接收到数据。延时应答是指接收方在接收到数据后,不立即发送确认应答,而是等待一段时间后再发送确认应答。 |
如下图:
接收方在收到发送方的数据后,不会立即返回应答,而是接收方先进行一部分数据的处理然后再返回应答给发送方.
延时应答的主要作用是为了优化网络传输性能。TCP协议使用了滑动窗口机制,发送方会根据接收方发送的确认应答来确定下一次发送的数据量。如果接收方立即发送确认应答,那么发送方会立即发送下一批数据,造成网络拥塞。而延时应答可以让发送方在一定时间内累积多个数据包,然后一次性发送确认应答,有效减少了网络流量。
十一 TCP应用场景
TCP/IP模型的应用场景非常广泛,几乎涵盖了所有基于互联网通信的领域。以下是TCP/IP模型的主要应用场景,以分点表示和归纳的方式进行说明:
11.1 互联网通信
TCP/IP模型是互联网通信的基础,几乎所有的互联网服务都依赖于TCP/IP协议进行数据传输和通信。
网页浏览、电子邮件、文件下载、实时通信(如语音、视频会议)等,都是基于TCP/IP协议来实现的。
例如,HTTP(超文本传输协议)和HTTPS(安全超文本传输协议)用于网页浏览,SMTP(简单邮件传输协议)用于电子邮件的发送,FTP(文件传输协议)用于文件的上传和下载。
11.2 远程登录和管理
通过TCP/IP协议,用户可以通过网络远程登录到其他计算机,进行远程管理和操作。
例如,SSH(安全外壳协议)就是一种常用的远程登录协议,它提供了加密的通信通道,保证了数据传输的安全性。
11.3 文件共享
TCP/IP协议支持文件共享,用户可以通过网络访问其他计算机上的文件和资源。
例如,NFS(网络文件系统)和SMB(服务器消息块)是两种常见的文件共享协议,它们允许用户在网络上共享和访问文件。
11.4 局域网(LAN)和广域网(WAN)通信
除了互联网通信外,TCP/IP协议也广泛应用于局域网(LAN)和广域网(WAN)中。
在局域网中,TCP/IP协议通常用于连接各种设备(如计算机、打印机、服务器等),实现内部通信和资源共享。
在广域网中,TCP/IP协议被用于连接不同地理位置的网络,实现跨越城市、国家甚至全球的数据传输。
11.5 无线网络通信
TCP/IP协议在无线网络中也起着重要作用,如无线局域网(WLAN)和移动通信网络。
无论是通过Wi-Fi还是移动通信网络,用户的设备都可以基于TCP/IP协议进行通信和数据传输。
11.6 实时通信应用
TCP/IP协议为实时通信应用提供了可靠的保障,如在线游戏、视频直播等。
这些应用对数据传输的实时性和稳定性要求较高,TCP/IP协议通过其传输层协议(如TCP和UDP)保证了数据的可靠传输和实时性。
十二 TCP组件的使用
1 Gitee链接地址
组件位于amaziot_bloom_os_sdk\libraries\am\xtu\am_tcp.c Gitee源码地址:https://gitee.com/ning./hongdou Github源码地址:https://github.com/ayumid/hongdou |
2 应用层组件功能介绍
提供TCP连接实例,可以通过调用组件内的API,来实现TCP本地客户端和服务器之间的通信。
使用该组件,必须同时使用AT组件,文件组件,TCP组件,掉线组件,掉线重连组件。
3 代码讲解
1 dtu_sockrcv_thread
功能:该函数用于,下行数据接收线程。
参数:无
返回值:无
示例:
C //下行数据接收线程 status = OSATaskCreate(&dtu_socket_task_ref, dtu_socket_task_stack, DTU_SOCKET_TASK_STACK_SIZE, 160, "dtu_sockrcv_thread", dtu_sockrcv_thread, NULL); ASSERT(status == OS_SUCCESS); |
2 dtu_get_socket_ctx
功能:该函数用于,用于其它软件模块使用网络模块相关资源时,获取资源句柄。
参数:无
返回值:无
示例:
C dtu_socket_ctx = dtu_get_socket_ctx(); |
3 dtu_set_socket_fn
功能:该函数用于,初始化socket相关的信息。
参数:无
返回值:无
示例:
C //初始化socket fn dtu_set_socket_fn(); |
4 dtu_socket_init
功能:该函数用于,初始化socket。
参数:
返回值:无
示例:
C //打开串口,并设置回调函数 UART_OPEN(dtu_uart_data_recv_cbk); |
5 dtu_socket_write
功能:该函数用于,数据发送到服务,根据参数是TCP还是UDP调用不同的底层API。
参数:
返回值:无
示例:
C //打开串口,并设置回调函数 UART_OPEN(dtu_uart_data_recv_cbk); |
6 dtu_socket_dl_data_recv
功能:该函数用于,阻塞函数,用于接收服务器数据,函数进入后会一直阻塞在select函数,收到数据后,根据配置的TCP还是UDP调用不同的底层函数,再调用数据预处理函数,之后会重新阻塞在select函数。
参数:
参数 | 释义 |
fd | socket描述符 |
sock | socket指针 |
返回值:无
示例:
C //读取下行的数据 rcv = dtu_socket_dl_data_recv(sock_temp.fd, (void *)&sock_temp); |
7 dtu_socket_dl_data_pre_check
功能:该函数用于,判断下行数据类型,网络AT指令调用函数处理;透传数据直接发送到串口。
参数:
返回值:无
示例:
C //判断是否是网络AT指令 dtu_socket_dl_data_pre_check(bytes,sendData); |
8 dtu_send_serial_data_to_server
功能:该函数用于,发送数据到服务器,判断是否需要打开心跳定时器,根据AT指令配置,判断是否需要在数据前面增加注册包。
参数:
返回值:无
示例:
C dtu_send_serial_data_to_server(uartData); |
4 Demo实战
4.1 创建一个Demo
复制20.1_file_xtu示例工程,到同一个文件夹下,修改文件名为20.4_trans_xtu,如图:
4.2 修改makefile
增加文件组件所在目录头文件路径,和源文件路径,如图:
4.3 增加头文件
使用代码编辑器,将新建的工程文件加入代码编辑器中,打开main.c,修改main.c,加入am.h等头文件,如图:
4.4 修改代码
示例使用的是板载5x6卡,用户的硬件可能是使用外置卡,或者是三合一全网通卡,因为硬件上三种卡使用的模组SIM卡接口不一样(外置卡SIM1,5x6卡和三合一卡SIM2),所以,需要通过一个全局变量来制定SIM卡硬件接口。
extern外部变量SDK_INIT_SIM_SELECT_VALUE,这里判断了是否使用外置卡,这个宏定义在Makefile里面定义。
在Phase1Inits_enter中,宏定义判断是否要包含对SDK_INIT_SIM_SELECT_VALUE变量的修改。
在Phase2Inits_exit 调用文件组件提供的对外API,如图:
4.5 编译
在SDK根目录打开命令行,输入命令.\build.bat -l .\amaziot_bloom_os_sdk\sample\libraries\20.5_socket_xtu\
C++ PS F:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08 λ .\build.bat -l .\amaziot_bloom_os_sdk\sample\libraries\20.5_socket_xtu\ 子目录或文件 out\bin 已经存在。 命令语法不正确。 子目录或文件 build\obj 已经存在。 gnumake: Entering directory `F:/3.asr-b/cat.1-asr1606/1.software/BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08/amaziot_bloom_os_sdk/sample/libraries/20.5_socket_xtu' armcc.exe -c --cpu Cortex-R4 --no_unaligned_access -g -O2 --apcs /inter --diag_suppress 2084,1,2,177,188,223,550,1296,2795,6319,9931,9933 --diag_error=warning --gnu --thumb --loose_implicit_cast -DDATA_COLLECTOR_IMPL -DISPT_OVER_SSP -DDIAG_SSP_DOUBLE_BUFFER_USE_DYNAMIC_ALLOCATION -DENV_XSCALE -DL1_DCXO_ENABLED -DLTE_HIGH_MOBILITY_OPTIMIZATION -DRUN_XIP_MODE -DCRANE_Z2 -DCA_LONG_IPC_MSG -DNEZHA3 -DNEZHA3_1826 -DUPGRADE_PLMS -DUPGRADE_PLMS_SR -DLTE_GSMMULTIBCCH -DGPLC_LTE_RSSI_SCAN -DL1V_NEW_RSSI -DUPGRADE_PLMS_3G -DUPGRADE_PLMS_L1 -DUPGRADE_FG_PLMS -DFG_PLMS_URR -DUPGRADE_L1A_FG_PLMS -DUPGRADE_PLMS_STAGE_2 -DUPGRADE_MBCCH -DMULTI_BCCH_READY_IND -DURR_MRAT_ICS_SEARCH -DUPGRADE_ICS -DMRAT_NAS -DUPGRADE_PLMS_SEARCH_API -DICS_MBCCH -DICS_MBCCH_2G_RSSI -DDIAG_NEWPP -DPHS_SW_DEMO -DPHS_SW_DEMO_TTC -DPHS_SW_DEMO_TTC_PM -DFULL_SYSTEM -D_DDR_INIT_ -D_TAVOR_HARBELL_ -DUPGRADE_ARBEL_PLATFORM -D_TAVOR_B0_SILICON_ -DTDL1C_SPY_ENABLE -DDLM_TAVOR -DTAVOR -DFLAVOR_DUALCORE -DDEBUG_D2_MOR_REG_RESEREVED_ENABLE -D_DIAG_USE_COMMSTACK_ -D_TAVOR_DIAG_ -DPM_DEBUG_MODE_ENABLED -DPM_D2FULL_MODE -DPM_EXT_DBG_INT_ARR -DFEATURE_WB_AMR_PS -DMACRO_FOR_LWG -DHL_LWG -DOPTIMIZE_FOR_2G_BCCH -DPLAT_TEST -D_FDI_USE_OSA_ -DPLAT_USE_THREADX -DLWIP_IPNETBUF_SUPPORT -DCRANE_MCU_DONGLE -DAT_OVER_UART -DPHS_SW_DEMO_TTC_PM -DUPGRADE_LTE_ONLY -DEXT_AT_MODEM_SUPPORT -DLTEONLY_THIN_SINGLE_SIM -DLFS_FILE_SYS -DLFS_FILE_SYS_V2 -DPSM_ENABLE -DNO_PAHO_MQTT -DNO_XML -DNO_LWM2M -DREMOVE_MBEDTLS -DNO_AT_NET -DCRANE_SD_NOT_SUPPORT -DNTP -DYMODEM_EEH_DUMP -DENABLE_DM_LTEONLY -DLTEONLY_THIN -DNO_EXTEND_MY_Q_AT -DNOT_SUPPORT_HTTPS -DNOT_SUPPORT_PM813 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已复制 1 个文件。 |
4.6 生成固件
参考入门中开发工具,生成工具。
4.7 查看现象
固件下载到模组后,通过AT串口配置服务器地址,然后给服务器发信息,服务器下发信息给AT口,如图,
5 总结
根据实验现象,按照本文所述流程,可以实现TCP功能。
注:本文部分内容来源于网络,如有侵权,请及时联系我们。
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