計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中TCP協(xié)議的研究與仿真

程訓(xùn)劍

摘要：TCP是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中很重要的一種運(yùn)輸層協(xié)議，它上接應(yīng)用層，下接網(wǎng)絡(luò)層，扮演著很重要的角色。在TCP/IP協(xié)議中，我們把TCP當(dāng)成一個(gè)很重要的協(xié)議來研究。本文主要介紹對(duì)TCP協(xié)議的研究與仿真，開始敘述TCP協(xié)議的特點(diǎn)，介紹了TCP協(xié)議的幾個(gè)比較重要的特性。相信大家看過本文之后會(huì)對(duì)TCP協(xié)議有了很大一步的了解，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中研究它是很有必要性的，大家在今后有關(guān)TCP的學(xué)習(xí)中一定要加以重視。

關(guān)鍵詞：TCP 連接 ?仿真 ?網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP393.04 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）09-0038-02

1 引言

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，TCP協(xié)議在簡(jiǎn)單的OSI模型中扮演的是一種比較難理解的運(yùn)輸層協(xié)議，在我們所熟悉的因特網(wǎng)協(xié)議族中，IP層之下是TCP層，應(yīng)用層之下的傳輸層。TCP是實(shí)現(xiàn)一種比較可靠的傳輸，位于第四層。在實(shí)現(xiàn)電路方面的連接的同時(shí)，也會(huì)對(duì)包裝進(jìn)行排序檢查。所以說TCP協(xié)議是Internet的基礎(chǔ)，在硬件和軟件的運(yùn)用中都很重要，我們對(duì)此應(yīng)多加重視。

TCP使用端口號(hào)進(jìn)行進(jìn)程與進(jìn)程之間的通信，在主機(jī)之間提供這樣的連接，彌補(bǔ)了好多IP層的不足。很多人只去研究TCP的表面知識(shí)而沒有深入的研究和理解，只有通過一定的模擬實(shí)驗(yàn)才能理解TCP的具體作用和工作原理。本文中學(xué)習(xí)和研究TCP的性能和工作方式，使TCP在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮更大的作用。

2 TCP協(xié)議的概述

2.1 TCP協(xié)議的特點(diǎn)

（1）所謂TCP提供的是連接的，而且非常穩(wěn)妥的，字節(jié)的服務(wù)。TCP的連接建立過程和打電弧很相似，首先撥電話號(hào)碼，然后就是等待對(duì)方接通說“喂”，然后才說明是誰，結(jié)束后釋放鏈接。（2）TCP的每一條鏈接的兩端必須只有兩個(gè)客戶端，必須是一個(gè)對(duì)于一個(gè)的傳送。（3）TCP提供全雙工通信，所謂全雙工通信就是通信的兩端在使用TCP的時(shí)候可以隨時(shí)進(jìn)行通信。進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，接受緩存是用來接收數(shù)據(jù)的，接收到后就可以不用問了，這時(shí)的TCP可以隨時(shí)把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

2.2 TCP端口號(hào)和套接字地址

（1）TCP端口號(hào)：端口號(hào)只具有本地意義，所謂本地意義說明端口號(hào)只標(biāo)記計(jì)算機(jī)中的進(jìn)程，端口號(hào)被兩個(gè)字節(jié)來標(biāo)志。在沒有熟知端口號(hào)的情況下會(huì)使用等記端口號(hào)，登記端口號(hào)的數(shù)值為1024～49151，為了防止重復(fù)在使用這個(gè)端口的時(shí)候會(huì)在UANA上登記?？蛻舳丝谔?hào)數(shù)值為49152～65535，在客戶進(jìn)行進(jìn)程選擇暫停時(shí)使用。對(duì)于無連接的UDP和TCP一樣也有端口號(hào)，但是他們兩個(gè)的端口號(hào)是彼此孤立的，意思就是同一個(gè)端口號(hào)有不同的用途。（2）套接字地址。對(duì)于TCP中的套接字，同一個(gè)名詞卻有不同的含義，如果套接字被一個(gè)程序使用，在一個(gè)socket函數(shù)中使用的一個(gè)函數(shù)也叫scocket，調(diào)用它的端口也叫做scocket。在TCP的協(xié)議中，要想實(shí)現(xiàn)TCP服務(wù)，在建立的每一端的創(chuàng)建稱為套接字的端點(diǎn)。TCP數(shù)據(jù)報(bào)兩個(gè)數(shù)據(jù)集之間的數(shù)據(jù)單元的TCP傳輸成段，段與TCP的各種信息。緊急URG通知系統(tǒng)這個(gè)報(bào)文段中有緊急數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)盡快傳送，這個(gè)在其他地方是被當(dāng)做稍微高點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)的。只有等于1的時(shí)候，他才會(huì)起到作用。

3 TCP的連接與釋放

這時(shí)TCP工作的過程，是客戶使用TCP時(shí)必須要完成的兩個(gè)動(dòng)作，連接傳輸層協(xié)議，連接的建立是確?？煽康膫鬏?，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候必須首先在通信雙方建立一個(gè)連接，連接就相當(dāng)于一個(gè)路徑發(fā)送數(shù)據(jù)后，通過一條通路到達(dá)另一方。

3.1 建立連接

TCP傳送數(shù)據(jù)的方式是全雙工的，TCP中建立連接使用三次握手的方式來實(shí)現(xiàn)，TCP的連接和釋放都使用客戶-服務(wù)器方式，建立連接的過程從服務(wù)器開始。

先把SYN設(shè)置為1;第二步在把數(shù)據(jù)包頭部的那個(gè)確認(rèn)字段設(shè)置為x+1;第三步初始序號(hào)被放在數(shù)據(jù)包頭部的數(shù)列中。如果接受到了這個(gè)鏈接的數(shù)據(jù)段，那么這個(gè)數(shù)據(jù)段就被送到緩沖區(qū)了，服務(wù)器還會(huì)收到客戶端發(fā)來的另一個(gè)數(shù)據(jù)段，服務(wù)器的允許連接數(shù)據(jù)段給出確認(rèn)。

3.2 TCP的連接釋放

數(shù)據(jù)傳輸完成后都會(huì)釋連接的，因?yàn)門CP是全雙工的，所以必須單個(gè)放行釋放連接。第一，使第一個(gè)被A發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)能夠到達(dá)B，第二為了不讓失效的報(bào)文段出現(xiàn)在文本中，最后一個(gè)ACK被發(fā)送完后，過2被的時(shí)間就消失了，防止“已失效的連接請(qǐng)求報(bào)文段”出現(xiàn)在本連接中。按照這種辦法，就不會(huì)收到就得連接請(qǐng)求報(bào)文段了。

3.3 TCP的連接復(fù)位

下面我們來介紹一下需要復(fù)位的三種情況：（1）當(dāng)TCP連接到一個(gè)并不存在的端口時(shí)，另一端TCP就能發(fā)送一個(gè)報(bào)文段，這時(shí)就把RST=1，來關(guān)閉這一連接。（2）如果一端的TCP出現(xiàn)異常情況，就可以發(fā)送復(fù)位請(qǐng)求來終止連接，這時(shí)RST=1，來關(guān)閉這一連接。（3）如果一端的TCP被發(fā)現(xiàn)好長(zhǎng)時(shí)間沒被用了，他就可以把這個(gè)連接撤銷，這時(shí)發(fā)送復(fù)位信息報(bào)，RST=1，來關(guān)閉這一連接。

3.4 TCP擁塞控制

這一節(jié)我們將討論TCP的擁塞控制，研究它的工作原理以及其他方面的內(nèi)容，這是TCP工作中出現(xiàn)的狀況，我們要加以解決，不然的話會(huì)影響TCP的運(yùn)作，對(duì)工作效率很不利。

（1）慢啟動(dòng)和擁塞避免。慢啟動(dòng)和擁塞避免算法一定是TCP用來發(fā)送數(shù)據(jù)的，如果要實(shí)現(xiàn)這種算法，一定要加入兩個(gè)變量在TCP中。發(fā)送端口和擁塞窗口是對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的一種限制，是慢啟動(dòng)中必不可少的重要的摻量。發(fā)送窗口和擁塞窗口有最小值和最大門限的限制，數(shù)據(jù)之間的傳送是用最小值來確定的，而最大門限是用來確定使用慢啟動(dòng)算法還是擁塞避免算法。（2）快恢復(fù)和快重傳。此ACK是用來通知收到一個(gè)混亂的數(shù)據(jù)段發(fā)送，并希望得到序列號(hào)。查收到重復(fù)ACK的原因從發(fā)送端來看是由多種網(wǎng)絡(luò)引起的。首先，我們認(rèn)為可以是數(shù)據(jù)段丟失的原意，如果有了這種情況，ACK就會(huì)被丟失的數(shù)據(jù)段重新發(fā)送。然后，這種事故的原因也會(huì)由數(shù)據(jù)排序的網(wǎng)絡(luò)中斷而引起的。最后，我們也會(huì)認(rèn)為由于網(wǎng)絡(luò)對(duì)ACK以及報(bào)文段做了復(fù)制而引起重復(fù)的。

4 TCP的仿真實(shí)驗(yàn)

我們都知道TCP是有鏈接的可靠的傳輸層協(xié)議，所以在傳輸運(yùn)用過程中也會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。下面我們通過以下仿真實(shí)驗(yàn)，來了解TCP在傳輸FTP文件時(shí)一數(shù)據(jù)報(bào)丟失的情況，來詳細(xì)分析下這一解決過程。

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)置

我們用OPNET來做TCP的仿真實(shí)驗(yàn)，這只是在一個(gè)比較簡(jiǎn)單的環(huán)境下在做關(guān)于TCP的仿真實(shí)驗(yàn)，測(cè)試出數(shù)據(jù)圖通過分析和比較來觀察TCP處理數(shù)據(jù)丟失包的具體工作原理和過程。選擇“結(jié)果- - > >安排Pannels顯示所有“查看保存結(jié)果。

頂部多媒體的快速decovery conquestion窗口由于“TCP雷諾”，在重新傳輸。這個(gè)conquestion窗口只是減少了一半，而不是 ? ? 1MSS，從而快速恢復(fù)。graphe的底部顯示了發(fā)送之間的關(guān)系序列號(hào)碼和收到seqment ack服務(wù)器上的數(shù)量。服務(wù)器故意把一個(gè)數(shù)據(jù)包給丟失，這時(shí)客戶服務(wù)器就會(huì)發(fā)出三個(gè)ACK，會(huì)被重新發(fā)送。

這時(shí)把FTP的Command Mix的值設(shè)置為100%，把Inter-Requests設(shè)置為constant 3600，把File Size 設(shè)置為FTP，把Server，type of serveice值設(shè)置為best effort，把RSVP parameters值設(shè)置為 None;用NotUsed來設(shè)置Back-End Custom Application值。

4.2 仿真實(shí)驗(yàn)的過程

針對(duì)TCP數(shù)據(jù)傳輸開始時(shí)，擁塞窗口設(shè)置為最大的MSS值，慢啟動(dòng)算法開始，cwnd被設(shè)置為200，那么400，800，1600.......以103S，擁塞窗口達(dá)到6500的最大閾值，為了不讓擁塞窗口將不會(huì)太增加網(wǎng)絡(luò)阻塞引起的，然后執(zhí)行擁塞避免算法，每一個(gè)RTT，擁塞窗口將增加一個(gè)單位，然后在107s當(dāng)FTP數(shù)據(jù)包丟失，然后進(jìn)行處理，擁塞窗口的值下降，TCP協(xié)議在慢啟動(dòng)和擁塞避免算法的實(shí)現(xiàn)，窗口的大小增長(zhǎng)將呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。設(shè)置最大窗口閾值，根據(jù)3響應(yīng)消息重復(fù)判斷丟包，重傳丟失的數(shù)據(jù)包和直接的閾值，為當(dāng)前擁塞窗口6500的一半，這是快速重傳（Tahoe），然后轉(zhuǎn)移到慢啟動(dòng)。然后再轉(zhuǎn)入慢開始。

在窗口大小到達(dá)大約80000后，應(yīng)該是收到3個(gè)連續(xù)ACK，若根據(jù)3個(gè)重復(fù)的應(yīng)答報(bào)文就會(huì)知道有沒有丟包，而且丟失的分組會(huì)被重傳，此時(shí)的ssthresh的值就為擁塞窗口的一半，這樣就進(jìn)入了進(jìn)入擁塞避免階段。

4.3 仿真實(shí)驗(yàn)小結(jié)

用OPNET做TCP的仿真實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)包丟失，TCP數(shù)據(jù)的變化都被形象的描繪出來了，很好的詮釋了這一失誤和改正過程。為TCP以后出錯(cuò)改正做了很好的例子。

5 結(jié)語

在這個(gè)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)的普及，讓我們明白了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的重要性，學(xué)生們對(duì)TCP的研究呢也會(huì)越來越在乎。TCP在簡(jiǎn)單的OSI體系中有著重要的作用，我們?cè)谏钊肓私釺CP的結(jié)構(gòu)時(shí)一定不要忽略它的工作原理，很好的把TCP協(xié)議運(yùn)用到運(yùn)輸層中。

參考文獻(xiàn)

[1]余永勝.探究基于TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].電子制作，2013.11.

[2]曹雪峰.基于虛擬實(shí)驗(yàn)的TCP原理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013.07.

[3楊延雙，張建標(biāo)，王全民.TCP/IP協(xié)議分析及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.2.

[4]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第五版[M].大連：大連理工出版社，2008.01.01.

[5]蘭少華，楊余旺，呂建勇.TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.01.01.