高可靠性的包交换传输协议完美分析


传输控制协议(Transmission Control Protocol, TCP)
TCP协议主为了在主机间实现高可靠性的包交换传输协议 。本文将描述协议标准和实现的一些方法 。因为计算机网络在现代社会中已经是不可缺少的了,TCP协议主要在网络不可靠的时候完成通信,对军方可能非凡有用,但是对于政府和商用部门也适用 。TCP是面向连接的端到端的可靠协议 。它支持多种网络应用程序 。TCP对下层服务没有多少要求,它假定下层只能提供不可靠的数据报服务,它可以在多种硬件构成的网络上运行 。下面的图是TCP在层次式结构中的位置,它的下层是IP协议,TCP可以根据IP协议提供的服务传送大小不定的数据,IP协议负责对数据进行分段,重组,在多种网络中传送 。
TCP的上面就是应用程序,下面是IP协议,上层接口包括一系列类似于操作系统中断的调用 。对于上层应用程序来说,TCP应该能够异步传送数据 。下层接口我们假定为IP协议接口 。为了在并不可靠的网络上实现面向连接的可靠的传送数据,TCP必须解决可靠性,流量控制的问题,必须能够为上层应用程序提供多个接口,同时为多个应用程序提供数据,同时TCP必须解决连接问题,这样TCP才能称得上是面向连接的,最后,TCP也必须能够解决通信安全性的问题 。
网络环境包括由网关(或其它设备)连接的网络,网络可以是局域网也可以是一些城域网或广域网,但无论它们是什么,它们必须是基于包交换的 。主机上不同的协议有不同的端口号,一对进程通过这个端口号进行通信 。这个通信不包括计算机内的I/O操作,只包括在网络上进行的操作 。网络上的计算机被看作包传送的源和目的结点 。非凡应该注重的是:计算机中的不同进程可能同时进行通信,这时它们会用端口号进行区别,不会把发向A进程的数据由B进程接收的 。
进程为了传送数据会调用TCP,将数据和相应的参数传送给TCP,于是TCP会将数据传送到目的TCP那里,当然这是通过将TCP包打包在IP包内在网络上传送达到的 。接收方TCP在接收到数据后会通信上层应用程序,TCP会保证接收数据顺序的正确性 。虽然下层协议可能不会保证顺序是正确的 。这里需要说明的是网关在接收到这个包后,会将包解开,看看是不是已经到目的地了,假如没有到,应该走什么路由达到目的地,在决定后,网关会根据下一个网络内的协议情况再次将TCP包打包传送,假如需要,还要把这个包再次分成几段再传送 。这个落地检查的过程是一个耗时的过程 。从上面,我们可以看出TCP传送的基本过程,当然具体过程可能要复杂得多 。
在实现TCP的主机上,TCP可以被看成是一个模块,和文件系统区别不大,TCP也可以调用一些操作系统的功能,TCP不直接和网络打交道,控制网络的任务由专门的设备驱动模块完成 。TCP只是调用IP接口,IP向TCP提供所有TCP需要的服务 。通过下图我们可以更清楚地看到TCP协议的结构 。
上面已经说过了,TCP连接是可靠的,而且保证了传送数据包的顺序,保证顺序是用一个序号来保证的 。响应包内也包括一个序列号,表示接收方预备好这个序号的包 。在TCP传送一个数据包时,它同时把这个数据包放入重发队列中,同时启动记数器,假如收到了关于这个包的确认信息,将此包从队列中删除,假如计时超时则需要重新发送此包 。请注重,从TCP返回的确认信息并不保证最终接收者接收到数据,这个责任由接收方负责 。
每个用于传送TCP的通道都有一个端口标记,因为这个标记是由每个TCP终端确定的,因此TCP可能不唯一,为了保证这个数值的唯一,要使用网络地址和端口号的组合达到唯一标识的目的,我们称这个为了套接字(Socket),一个连接由连接两端的套接字标识,本地的套接字可能和不同的外部套接字通信,这种通信是全双工的 。

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