（计算机软件与理论专业论文）internet环境下实时控制协议的研究与应用.pdf

摘要 i n t e r n e t 以及i p v 6 技术的飞速发展，使得将嵌入式设备接入i n t e m e t 成为可能。 在i n t e m e t 环境下，如何对远程嵌入式设备进行实时监控，受到业界广大专家学 者的普遍关注。 为了在i n t e r n e t 环境下实现对远程嵌入式设备的实时监控，实现一个实时控 制1 力、议是必要的。陔协议必须具备可靠性特征，同时也要具备实时性特征。如何 在确保网络传输可靠性的同时，实现实时性特征，是一个值得研究的问题。 本文的主要研究成果在于参考r t p ，通过对l j d p 进行扩展，设计了一个实 时控制协议。该协议能够在确保网络传输可靠性的同时，实现网络传输的实时性 特征。采用嵌入式i n t e m e t 技术，本文提出了一个软件体系结构，用于以w 曲方 式实现i n t e m e t 环境下远程嵌入式设备的实时监控。 本论文首先对t c p i p 协议族中的i p v 4 、i p v 6 、t c p 、u d p 协议的主要特征 进行了详细分析；在介绍了目前主流的两个实现实时网络协议的方法之后，通过 对比t c p 与u d p 在实时控制领域的优缺点，给出了实时控制协议的总体设计思 路：参考r t p ，借鉴t c p 的优点，对u d p 进行扩展；在实时控制协议的设计过 程中，刘如何解决如下重要问题进行了深入而细致的论述：为用户进程提供可靠 性、避免i p 分片、u d p 数据报重复、u d p 数据报乱序、缓冲区越界、并发用户 访问：以为传统的嵌入式系统提供w e b 访问机制为着眼点，引出了w e b e n a b l e d 的嵌入式系统；采用嵌入式i n t e m e t 技术，给出了i n t e m e t 环境下远程嵌入式设 备实时监控系统总体框架；最后，为了验证实时控制协议及远程实时监控总体框 架的可行性，搭建并实现了一个原型系统“网络鱼缸”，并指出了实时控制 叭议的应用场景。 关键词：实时网络协议；嵌入式i n t e m e t ；i p v 6 ：嵌入式系统；远程监控 a b s t r a c t a b s t r a c t w 酏c h er a p i dd e v e i o p m e n lo ft 1 1 ei n t e m e ta n di p v 6t e c h n o l o g y ，i tj sp o s s i b l ef o rl l st o c o n n e c te m b e d d e dd e v i c e st ot h ei n t e r n e tm u c ho fr e s e a r c hh a sb e e np e r f o r m e do nm o n i t o r i n g a n dc o 1 c r o j 1 1 9e m b e d d e ds y s t e n l si nr e a lt i m ea n dr e m o t e i y i ii se s s e n t i a ll oi m p l e m e n tar e a lt i m ec o n t r o lp r o t o c o it h ep r o t o c o lm u s tb er e l i a b 】ea n d p r o v j d er e a 】t i m ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc l l e n t sa n ds e r v e r s ni sa nj n t e r c s t i n gc h a l l e n g et h a t m a i ( j n gt 1 1 ep r o t o c o lr e i i a b l ea n di nr e a l t i m ea tt h es a m et i m e t 1 1 em a i nc o n t b u t i o n so ft h et h e s j sa r ea sf 0 1 l o w s ：w eh a v ep m p o s e dan e ws o r w a r e a 川1 j t e c t u r ef o rr e a i t i m er e m o t em o n i t or i n ga n dc o n t r o lo f e m b e d d e ds y s t e m so v e rt h ei n t e m e tb y w o 州w i d ew e bl i s i 唱e m b e d d e di n t e r n e tt e c l l n o i o g yi no r d e rt os u p p o r tr e a l t i m ea n dr e a b l e b e 】 a v i o r s ，w eh a v ed e s i g n e dar e a l - t i m ec o n t r o lp r o t o c o lb ye x t e n d i n gu d pr e f e r e n c i n gr t p w en r s t i yd e s c r m et h em a i nc h a r a c t e r j s t i c so fi p v 4 ，i p v 6 ，t cp ，a n du d pi nt h et c p i ps t a c k md e t a j | ；a n e ri n t r o d l i c j n gt w om a i nm e t h o d so fh o wt oi m p l e m e n tar e a lt i m ep r o t o c o l ，ad e s i g n i d e a1 1 a sb e e np m p o s e db yc o m p a r i n gt c pa n du d pj nt h en e l do fr e a lt i m ec o n t r o l ：e x t e n d i n g u d pb y r e f e r e n c i n gr t pa n dt a k i n ga d v a n t a g e so ft c pt h ef o l 【o w i n gp r o b i e m sh a v e b e e n d i s c u s s e dj nd e t a i l ：r e l i a b i i i t y ，i pf r a g m e n t s ，d up 1 i c a t ep a c k e t s ，p a c k e t sd i s o r d e lb l l 廿- e ro v e 棚o w a 1 1 dc o n c l i r r e n tu s e ra c c e s s ac o n c e p to fw e b e n a b l e de m b e d d e ds y s t e mh a sb e e ni n t m d u c e db y p r o v i d i n gw e ba c c e s sa b i l j t yt oe m b e d d e ds y s i e m s s y s t e ma r c h i t e c t u r e h a sb e e np r o p o s e db y a d o p t m ge m b e d d e di n t e m e tt e c h n o l o g y i na d d i t i o n ，at e s tb e dh a sb e e ns e tu pt oi l l u s t r a t et h e v a l i d j t yo fr e a i l l n ec o n t r o lp r o t o c o 】a n ds y s t e ma r c h j t e c t l l r ew h i c ha r ep r o p o s e db yu s “n a l l 弘 w ei 1 1 t r o d l l c e 小es c e n a r i o so fr e a it i l n ec o n c r o ld r o t o c o 】 k e y w o r d s ： r e a m ep r o t o c o i ；巳m b e d d e di n t e m e t ： i p v 6 ： e m b e d d e ds y s t e m ；r e m o i e m o l l i t o m ga n dc o n t r o i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加幽脚致谢的地方外，论文中不包含其池 已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得把募工业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己撇中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名：翠日期丝幽 本人完全了解j 幻寅工业六胄辉涨留、使用学啦敝的规定，即：学档痒淑保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段呆存谠文。 ( 保密的论文在解密后应遵铂h 搬) 1 1 课题背景及研究意义 第1 章绪论 i n t e r n e t 及其相关技术为人类社会提供了一种崭新的工作、生活方式，并逐渐被 人们所接受。在不久的未来由能够为我们提供全球范围内的信息、通讯、娱乐服 务( w w i c e ，w o r l dw i d ei n f o h n a t i o n ，c o m m i l n i c a t i o na n de m e n a i n m e n t ) 的智能设 备所构成的分布式网络将出现在我们的周围。这些智能设备具各自适应能力，可以 感知我们的存在，预计我们的需求，并给与恰当的响应。与我们的交互方式也将发 生巨大变化。我们可以远程地监控这些智能设备，享受4 a 服务：在任何时间( a n y t i m e ) 、任何地点( a n yw h e r e ) ，通过任何设备( a n yd e v i c e ) ，访问任何服务( a n y v i c e ) 从而实现无处不在的信息，无处不在的通信，无处不在的娱乐。2 0 0 0 年， 荷兰p l “l i p s 公司提出了环绕智能( a m b i e n ti n t e l l i g e n c e ，a m i ) 的概念，用以描绘上 述新颖的理念。浚理念的显著特征包括：普及运算( u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) 、自然 的交互( n a t u r a l i n t e r a c t i o n ) 、智能( i n t e l l i 窟e n c e ) 、上下文感知( c o n t e x t a w a r e ) 。 伴随着信息技术、网络技术的不断发展，为一些非计算机类型的嵌入式设备( 例 如：空调、冰箱、微波炉等家用电器、传感器、控制器等) 分配一个i p 地址，将上 述嵌入式设备接入t n t e r r l e t ，从而实现嵌入式设备的远程实时监控，正在受到越来越 多高等院校与科研院所的普遍重视。为此，业界提出了嵌入式i n t e n l e t 的概念，期望 通过列传统的嵌入式系统进行改进，使之具备w e b 功能，从而实现w e b - c o n t r o l l a b l e 的嵌入式设备“1 ”】。但足，基于传统的网络技术，却很难实现上述目标。传统的i p v 4 ( f n t e l n e tp m t o c o iv e r s i o n4 ) 协议，由于其设计仞衷在于实现信息资源的共享，因此 其地址空问太小，在一些发展中国家出现了i p 地址不够用的状况。 i p v 6 ( i n t e m e tp m t o c o lv “s i o n6 ) 作为下一代互联网的骨干协议，极大地促进了 彤：绕智能技术的发展，体现在如下几个方面： l i p v 6 的地址为1 2 8 位冈此可以提供巨大的地址空间，足以将任何町以连接 的嵌入式设备联入i n t e r n c t ：能够为每个联网的嵌入式设备提供全球唯一的 i p 地址，从而提供唯一的身份： 2 i p v 6 支持网络地址的自动配簧，从而大大简化将嵌入式设备接入i n t e m e t 的 网络配置管理过程： 3 i p v 6 增加了对m o b i l ei p 的支持有助于实现一个i b i q u i t o u si n t e r n e t ，为用 户的移动智能终端提供支持，并为用户提供综合服务，从而实现环绕智能的 广的移动智能终端提供支持，并为用户提供综合服务，从而实现环绕智能的 4 a 服务； 北京工业人学丁学坝 学位论文 4 避免了采用n a t 技术所带来的问题。如：不再需要考虑n a t 及其软件之n = | j 的兼容性，在远端不再需要服务器；避免了出于n a t 转换方法或n a t 不同 的实现而导致的连接问题； 5 i p v 6 提供了改进的q o s 、q o c ，有助于增强环绕智能系统的实时特性： 6 i p v 6 提供了改进的安全模型，有助于增强环绕智能系统的安全性。 可以预言，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真f 未 来。 2 0 0 3 年8 月，国家发展改革委员会、中国工程院、信息产业部、教育部等8 部 委正式启动了中国下一代互联网示范工程( c n g i ：c h i n a n e x t g e n e r a t i o ni n t e r l l ec ) 。 “基于i p v 6 建立家庭网络，实现远程家电控制”被列为c n g i 重大应用研究示范项 目。 2 0 0 4 年，同本n t tc o m m u n i c a t i o n s 给出了下一代i n t e r n e t 的定义： i p v 6 + m 2 m x ( m a c h i n et om a c h i n ef o ra n y 【t h i n g l p l a c e l t i m e 】) + n e t w o r k e da p p l i a n c e 。希 望通过在n e t w o r k e d a p p i i a l l c e 间建立安全、简单、低成本的实时连接，促进i p v 6 在 信息家电领域的发展。基于m 2 m - x 可实现无论何时何地在经过认证的条件下把任何 嵌入式设备接入i f l t e m e t ，并且这个设备可以与同样经过认证的其他设备进行通信。 m 2 m 。x 暂定名为“网络家电连接服务”。为了推广m 2 m x ，n t tc o m m u n i c a t j o n s 牵头于2 0 0 4 年2 月1 0 阿成立了u o p f ( u b i q u i t o u so p e np i a t f o r mf o n l m ) ，这是一个 借助i p v 6 推进网络家电互联互通的业界组织，成员包括索尼、松下、东芝、三洋、 日立、先锋音响等著名消费类产品制造商。 2 0 0 4 年7 月，世界著名的电子产品制造商韩国三星公司对外公布了其a n y x ( a n y t i m e 、a n yw h e r e 、a n yo n e 、a n yd e v i c e 、a n ym e d i a ) 解决方案。希望通过采用l p v 6 技术，实现一个信息无处不在的世界。 为了在i n t e m e t 环境下实现对远程嵌入式设备的实时监控，实现一个实时控制| - = 9 、 议是必要的。该协议必须具备可靠性特征，同时也要具备实时性特征。 h t t p 是i n t e r n e t 环境下最流行、最普遍的协议之一。作为t c p i p 协议簇l 辛应用 层协议，它简单、快速、灵活、无连接、无状念、基于客户玛匾务器体系结构，因而 成为w b r l dw i d ew e b 的核，心协议。但是，它本身并没有内在支持实时性特征。 尽管目前业界已经推出了一些标准的实时网络协议，但是这些实时网络协议主要 应用于实时多媒体数据传送等应用场景，并不能为上层应用提供可靠的数据传输服 务。 因此，对实时网络协议以及嵌入式i n t e r n e t 展开研究，借鉴其成功经验，设i 卜一 个实时控制协议，给出一个软件体系结构，结合i p v 6 技术，从而实现i n t e i t n e t 坏境 下远程嵌入式设备实时监控具有较大的研究意义。 1 2 国内外研究状况 p 1 1 i i i p s r e s e a r c h 、e i n d h o v e nu n i v e r s i t yo ft e c l l n o l o g y 正在从事环绕智能、 w e b e 眦b l e d 嵌入式系统的研究。他们的研究成果包括： 提出了坏绕智能的概念，描绘了环绕智能的场景，并使之在p h m p s 公司生产 的信息家电中得到初步应用“； 给出了若干w e b e n a b l e d 嵌入式系统的原型，并实现了原型系统”j ( 对嵌 入式系统进行远程监控) ； 将网络中i 训件与移动性引入w e b e n a b l e d 的嵌入式系统，给出了解决方案， 采用w i r e l e s sc o r b a 、s e s s i o ni n j t i 撕o np r o t o c o l 技术予以实现，并进行了性 能评估、： 提出了w e b e n a b i e d 嵌入式系统互动的需求，以u p n p 为样例，给出了一个 参考实现，并提出了s e i c eo “e n t e d a r c h i t e c t u r e s 的概念“1 ； 在国际学术会议上发表了多篇学术论文。 。步的工作包括： 给出一个通用的家庭网络体系结构； 在各种网络标准下实现上述体系结构，如以太网、无线网、i e e e l 3 9 4 等： q o s 方面，流媒体的实时性保证： 家庭网络的安全问题； 将u p n p 、h a v i 、j i n i 等不同的中间件标准整合在一起，解决家庭网络的异 构性问题。 1 9 8 9 1 9 9 4 ，u c ，b e r k e l e y 完成了t e n e t 实时协议集的研发工作并对其进行了性能 评估。1 。t e n e t 包括： l r e a lt i m ei n t e m e tp m t o c o l ( r t i p ) ： 2 r e a l t i m em e s s a g e7 r r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ( r - t m p ) ； 3c o n t i n u o u sm e d i at r a n s p o f tp m t o c o l ( c m t p ) ； 4 r e a l - t i m ec o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ( r t c m p ) ： 5r e a l 一t i m ec h a n n e la d m i n i s t r a t i o np r o t o c o l ( r c a p ) 。 2 3 年1 0 月1 只，r 本松下公司宣布，将开始研发用于消费类电子产品的实时 控制网络协议，以使用户可以通过移动电话、p d a 、l a p t o p 等移动智能设备远程实 时地监控已经按入i n t e m e t 的消费类电子产品。该协议将会应用于松下公司未来生产 的所有具备网络功能的电子产品。w 。 清华大学电机系通过对分布式控制系统内部强实时通信技术进行研究”，得出如 下绱沦( t c p i p + 8 0 2 3 局域网环境) ： 夸 i进卜王1乱i 1 为了提高信道利用效率，要尽可能做到每一次传送的数据接近以太网的最大 帧长； 2 为了防止出现网络阻塞的情况，对分布式控制系统来讲，每条以太网总线上 连接的下位机数量最好不要超过4 台。如果确实需要很多台下位机，必须建 立多个子网。同时，服务器必须使用多穴主机； 3 通过对基于面向连接方式和无连接方式的协议进行研究以及列这两利r 方式 的代表t c p 和u d p 协议的实时性能进行测试，证明了分稚式控制系统 必须采用基于无连接方式的u d p 协议。 华南理工大学自动控制系对i n t e m e t 环境下远程控制机器人进行了研究，通过基 于u d p 的s o c k e t 编程，完成了图像的传输，没有对t c p i p 进行扩展“。 南开大学计算机系对工业控制系统中实时通信技术进行了研究，在局域网环境下 基于t c p ，i ps o c k e t 通信实现了实时通讯目标”。】。 清华大学自动化系对网络控制系统的实时特性及数据传输技术进行了分析，给出 了信息延迟的组成模型。并基于数据链路层针对实时性的实现，分析了几种典型的 数据传输技术，如：令牌传递轮询技术、数据分类技术、优先级集中控制技术、多 信道广播技术“。 文献【2 5 】给出了一种在i n t e m e t 环境下以w e b 方式对d u t 5 0 0 0 嵌入式模块进行 远程监控的方法。该方法通过将a c t i v e x 控件嵌入h t m l 页面，从而实现系统的人 机用户界面以及客户端业务逻辑。通过w i n s o c k 网络编程，在a c t i v e x 控件与服务 器端软件之间建立t c p 网络连接，实现了对d u t 5 0 0 0 嵌入式模块的监控。a c t i v e x 控 件仅能运行于m i c r o s o n 公司开发的i n t e m e te x p l o r e r 浏览器及w i n d o w s 系列操作系 统，系统可移植性较差。另外，a c t i v e x 控件可以任意访问客户端本地资源( 如：文 件系统) ，客户端系统的安全性受到极大的挑战。研究表明，与u d p 比较而言，t c p 并不适用于实时控制系统。 1 3 论文研究内容及目标 本论文的研究目标在于结合i p v 6 技术，实现i n t e m e t 环境下嵌入式设备的远程实 时监控。主要研究内容包括： 1 对实时网络协议展丌研究，借鉴成功经验，确定实时控制协c 义的设计思路： 2 对嵌入式i n t e m e t 技术展开研究，确定i n t e r n e t 环境下嵌入式设备的远程实时 监控系统总体框架； 3 设计一个实时控制协议，给出一个软件体系结构，实现i n t e r n e t 环境下远程 嵌入式设备实时监控；结合i p v 6 技术，设计一个概念机，搭建系统试验床； 实现一个原型系统，指出实时控制协议的应用场景。 4 1 4 论文的组织结构 本论文共分6 章，按如下结构组织： 笫一章是绪论部分。简要介绍了本论文的课题背景及研究意义、国内外研究现状 以及论文的主要研究内容。 第二章是相关基础知识介绍。首先介绍了计算机网络协议的概念及其组织方式； 然后对比o s i 参考模型，详细介绍了t c p i p 协议族的分层工作原理；最后对i p v 4 、 i p v 6 、t c p 、u d p 协议的主要特征进行了详细分析。 第三章是本论文的核心章节。首先介绍了实时网络协议的概念及其实现思路：然 后详细沦述了i n t e r n e t 环境下实时控制协议的设计思想及其实现方法。 第四章简要介绍了嵌入式i n t e m e t 的概念，论述了一种实现远程嵌入式系统实时 监控的思路，描绘了嵌入式i n t e r n e t 的应用场景。给出了i n t e r n e t 环境下远程嵌入式 i 殳备实时监控系统总体结构。详细论述了各个组成部分及其所采用的相关技术，引 山了w e b e n a b l e d 嵌入式系统的概念。 第五章首先对原型系统进行了概述，描述了实时控制协议在原型系统中的应用； 然后详细介绍了原型系统的硬件平台设计与软件平台设计：介绍了“网络鱼缸”试 验床的搭建方法；详细介绍了“网络鱼缸”水温远程实时监控系统的实现；最后给 出了原型系统的运行结果及其评价，并指出了实时控制协议的应用场景。 最后一章结论部分对i n t e m e t 环境下实时控制协议的研究与设计工作进行了总 结，并对本课题的迸一步研究进行了展望与设想。 本章介绍了课题的研究背景、意义以及国内外相关领域的研究现状，并在此基础 卜提出了本论文的主要研究内容。最后，介绍了本论文的组织结构。 t 5 - 鹚2 章t c p ，l p 削络讪改 第2 章t c p i p 网络协议 t c p i p 是用于计算机通信的一组网络协议，我们通常称它为t c p i p 协议族。 它是上= 世纪7 0 年代中期美国国防部为其a 融) a n e t 广域网开发的网络体系结构 和仂议标准。以它为基础组建的i n t e m e t 是目前国际上规模最大的计算机网络， i 1 ：因为i n t e m e t 的广泛使用，使得t c p i p 成为网络通信领域事实上的工业标准。 2 1 网络协议与分层 计算机网络是为了实现计算机之刚的通信，任何通信双方要成功地进行网络 通信，必须遵守一定的信息交换规则和约定，这些信息交换规则和约定就称为网 络协议。计算机中的网络接口卡、通信软件、通信设备都是遵循一定的网络协议 设计的，必须符合一定的协议规范。 为了减少网络协议设计的复杂性，大多数网络都按层的方式来组织，每一层 都建立在它的下层之上。不同的网络在分层数量和各层的名字、内容与功能上都 不尽相同，然而，在所有的网络中，每一层的目的都是向它的上一层提供一定的 服务而把这种服务是如何实现的细节对上层加以屏蔽。 层按功能来划分，每一层都有特定的功能，它一方面利用下一层所提供的功 能，另一方面又为其上一层提供服务。通信双方在相同层之间进行通话，通话规 则和协定的整体就是该层的协议。每一层都有一个或多个协议，几个层合成一个 协议找。协议的分层模型便于协议软件按模块方式进行设计和实现，这样每层协 议的设计、修改、实现和测试都可以独立进行，从而减少复杂性。 不同机器内包含相同协议层的实体叫做对等进程，对等进程是利用协议进行 通信的主体。相邻层之间通过接口来定义相互关系，接口定义下层向上层提供的 原语操作和服务。层和防议的集合称为网络体系结构。 2 - ，0 s i 参考模型 拙述计算机网络体系结构中各层协议的一般方法是国际化标准组织i s 0 ( i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d o r g a n i z a t i o n ) 发布的计算机通信) ：放系统互联o s i ( o p e n s v s 【e mi n t e r c o n n e c t j o n ) 模型”。 o s i 参考模型将整个网络通信的功能划分为七个层次，如图2 一l 所示。它们 由低到高分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用 层。每层完成一定的功能，每层都直接为其上层提供服务。 北京t 业人学t 学坝l 学位论文 图2 - lo s l 参考模型 f i g u r e2 - lo s ir e f e r e n c em o d e l ( 1 ) 物理层 物理层是o s i 的第一层，它虽然处于最底层，却是整个刀：放系统的基础。物 理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环 境。它建立在物理通信介质的基础上，规定了机械的、电气的功能：浚层负责建 立、保持和拆除物理链路；规定如何在此链路上传送原始比特流；比特如何编码， 使用的电平，极性，连接插头插座的插脚如何分配等。物理层传输信息的基本单 位是比特( b i t ) 。 ( 2 ) 数据链路层 数据链路层是为网络层提供数据传送服务的。在物理媒体上传输的数据难免 受到各种外界因素的影响而产生差错，为了弥补物理层的不足、为上层提供无差错 的数据传输，就需要对数据进行检错和纠错：完成数据链路的建立，标识，流量 控制，维护，拆除。数据链路层传输信息的基本单位是帧( f r a m e ) ，每帧包括一 定数量的数据和必要的控制信息，在每帧的控制信息中，包括同步信息、地址信 息、流量信息等；协议不同，帧的长短和界面也有差别，但无论如何必须对帧进 行定界，同步以及收发顺序的控制。 ( 3 ) 网络层 它连接网络中任何两个通信节点，从一个节点接收数据，f 确地传送到另一 - 8 一 u u u u 酣 悖 0 d d d 血 m m 姗 m 洲 删 呲 胁 卧 第2 章t c p i p l 叫络协议 个节点：网络层传输信息的基本单位是分组或包( p a c k e t ) 。网络层的主要任务 是要选择合适的路由和交换节点，透明地向目的节点交付发送节点所发的分组或 包。这里的透明是表示收发节点好像是直接连通的，另外网络层还要解决网络互 联、 ) j 塞控制和记账等问题。 ( 4 ) 传输层 传输层真f 实现了端到端的通信，把数掘可靠地从一方的用户进程送到另一 方的用户进程。这一层的控制通常由通信两端的计算机柬完成。中间节点一般不 提供这一层的服务，这一层的通信与通信子网无关。传输层及其上层协议是为通 信双方的用户进程服务的。传输层向上一层提供可靠的端到端服务，通信细节对 上层协议透明。传输层的功能主要在主机中实现。而对于物理层、数据链路层、 网络层的功能均能在报文接口机中实现。传输层传输信息的基本单位是报文 ( 1 1 1 e s s a g e ) 。 ( 5 ) 会话层 会话层允许通信双方的用户进程建立会话连接，双方相互确认身份，协商会 话连接的细节。它可以管理会话是双向同时进行的，还是任何时刻只能在一个方 向进行。在后一种情况下，会话层控制哪一方有数据发送权；会话层还提供同步 机制，在数据流中插入同步点机制，在每次网络出现故障后可以仅重传最近一个 同步点以后的数据，而不必从头开始。 ( 6 ) 表示层 表示层主要解决用户信息的语法表示问题。表示层将数据从适合于某一系统 的语法转变为适合于o s i 系统内部使用的语法。具体地讲，表示层对传送的用 户数据进行翻译、编码和变换，使得不同类型的机器对数据信息的不同表示方法 可以相互理解。另外，数据加密解密，信息压缩等都是表示层的典型功能。 ( 7 ) 应用层 应用层向应用程序提供服务，这些服务按其向应用程序提供的特性分成组， 并称为服务元素。有些可为多种应用程序共同使用，有些则为较少的一类应用程 序使用。应用层位于o s i 参考模型的最高层，直接为应用进程提供服务。其作 用足在实现多个系统应用进程相互通信的同时，完成一系列业务处理所需的服 务。 虽然o s i 参考模型没有成为网络通讯协议的最终标准，但是它清晰明了的结 构化分层的网络没计思想，对计算机网络以及数据通讯等方面的研究与应用，都 具有十分重要的意义。 2 3t c p i p 协议与0 s i 模型的对应关系 开发o s i 网络模型最初的动机在于创建一个用于网络通信分层协议栈的国 际标准。但是，在国际化标准组织推出o s i 参考模型之前，业界制定了一个用 于实现异构网络互联的协议族，该协议族就是著名的t c p i p 协议族。尽管o s i 参考模型与t c p i p 协议栈所包含的协议层次不同，我们还是可以将它们进行比 较分析，如图2 2 所示。 o s l 参考模型t c p i p 协议旗 麻用层 表示层 应川层 会话层 传输层传输层 网络层网络层 数据链路层 网络接口层 物理层 图2 2t c p i p 协议体系结构及其与o s i 参考模删对比关系 f i g u r e2 2t h er e i a t i o n s h i p b e t 、v e e nt c p i pp r o t o c o ls t a c ka n do s im o d e l 网络协议通常分不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。 t c p n p 协议族，是一组不同层次上的多个协议的组合。t c p i p 协议是一个四层 体系结构，包括：应用层、传输层、网络层和网络接口层。其中有三层对应于 o s i 参考模型中的相应层。图2 2 描述了t c p i p 协议族与o s i 参考模型的对应 关系。但是，这样的对应关系并不是绝对的，它只有参考意义，因为t c p i p 协 议族各层功能与o s i 参考模型的对应层所完成的功能还是有一些差异的。事实 上，t c p i p 协议只有三层，即应用层、传输层、网络层。最底层的网络接口层 没有任何具体的内容。 从t c p i p 网络体系结构与o s i 参考模型的对比，可以看出，t c p i p 虽然与 0 s i 参考模型有所不同，但有着异曲同工之妙。即：都采用了分层的体系结构， 只是相对来说t c p i p 更侧重于传输层以下协议的制定，也就是说更侧重于解决 异构网络的互联问题。 第2 市t c p ，i p 删络挑议 2 4t c p i p 各层功能及主要协议 2 4 1 网络接口层 t c p i p 协议族的网络接口层与0 s i 参考模型中物理层和数据链路层的作用 相当，是t c p i p 协议族的最底层。它直接和网络物理通讯媒介打交道，在这一 层l 十lt c p i p 没有定义任何具体的相关协议，只是提供了对目前流行的各种底层 胁 义的支持，如：令牌环网、以太网、无线局域网、f d d i 以及r s 一2 3 2 串行线 路等。 本纶文在该协议层仅涉及以太网技术，因此仅对以太网技术进行说明。 241 1 以太网技术概述 以太网帧的标准有两种，一种是d i xe t h e r n e tv 2 标准，另一种是i e e e 的 8 0 2 3 标准。d i xe t h e m e tv 2 标准是数字设备公司( d e c ，d i g i 诅le q u i p m e m c o r p ) 、英特尔公司( i n t c lc o r p ) 以及x e m x 公司于1 9 8 2 年联合公布的标准。 8 0 2 3 标准是i e e e ( 国际电气电子工程师协会) 8 0 2 工作组在d i xe t l l e m e tv 2 基础上于1 9 8 3 年制定的第一个以太网标准。 以太网传输介质包括同轴电缆、粗缆、细缆、双绞线和光纤等，其工作传输 速率也从1 0 m b s 到1 0 g b s 不等。目前，常用的以太网传输介质多为双绞线。 以太网有多种不同的物理拓扑，但从技术上讲，其逻辑拓扑一定是一条总线。 也就是说：虽然信道媒体为各站所共享，但一次只能有一个站使用媒体。 c s m a c d ( 载波监听与冲突检测) 就是用来设计解决两个站同时使用媒体发生 冲突的问题。它的原理如下： 1 每一个站都能平等地接入到媒体； 2 每一个要发送帧的站必须先监听媒体。当媒体上没有数据时，这个站才 能丌始发送 3一个站在开始发送后必须继续监听信道。如出现碰撞，则所有的站都能 检测到碰撞；每一个发送站发送干扰信号以便破坏正在线上的数据，然 后每一个发送站等待不同的随机时间后再发送数掘。 2 4 1 2 以太网封装帧格式 r f c ( r e q u e s tf o r c o m m e n t s ) 8 9 4 定义了以太网的数据报封装，r f c l 0 4 2 则 定义了i e e e 8 0 2 的数据报封装。另外，主机需求r f c 定义了每台i n t e r n e t 上与 以太网连接的主机都满足以下要求： 北荥1 + 业入学工学坝i ：学位论义 1 必须能够发送和接收采用r f c 8 9 4 ( 以太网) 封装格式的分组： 2 能够接收与r f c 8 9 4 混合的r f c l 0 4 2 封装格式的分组； 3 如果主机能够发送两种类型的分组数据，那么发送的分组必须是可以设 黄的，而且默认条件下必须是r f c 8 9 4 分组。 8 0 2 | 3 标准规定的m a c 帧比以太网v 2 规定要复杂。当8 0 2 3 的长度类型字 段表示类型时，它与以太网v 2 的帧一样：当表示长度时，m a c 帧必须装入8 0 2 2 定义的l l c 帧。l l c 帧的首部作用和以太网v 2 帧的类型字段功能差不多，l l c 帧的数据字段就是i p 层的i p 数据报。 下面给出了e t h e r n e tv 2 的标准封装帧格式并对各字段进行了解释说明， r f c 8 9 4 的封装格式如表2 1 所示： 表2 - ie t h e m e tv 2 的标准封装帧格式 t h b l e2 1e t h e m e tv 2f r a i n ef o r m a t 同步位分隔位目的地址源地址类型数据和填充位 c r c 7 字节】字节6 字节6 字节2 字节 4 6 1 5 0 0 字节4 字节 l 、同步码：7 个字节交替出现的0 和1 ，其作用为提醒接收系统有帧到来， 以及使到来的帧与输入定时同步。同步码实际上是在物理层添加上去的，并不是 正式帧的一部分。 2 、分隔位：1 个字节( 1 0 1 0 1 0 1 1 ) 接收信号站最后一次进行同步的机会。最 后两位的“，表示后面就是目的地址。 3 、目的地址：6 个字节，表明该帧要传输给的物理地址。 4 、源地址：6 个字节，表明该帧的数据是哪个网卡发送的。 5 、长度类型：长度类型字段具有两种意义。如果字段值小于1 5 l8 ，那么字 段就是长度字段；如果大于1 5 1 8 ，则表明该帧的数据类型。 6 、数据段和填充位：该段数据要大于4 6 字节同时要小于1 5 0 0 字节。当数 据段的数据不足4 6 字节时，后面可补o 填充。 7 、c r c ：4 个字节，检验由网卡自动计算生成，并填充在数据段后面。 事实上，同步位、分隔位、填充位和c r c 这几个字段都是由网卡自动产生， 通常可不用考虑。 2 4 1 3 以太网数据传送过程 当一个以太网站点的信息帧被发送到共享的信道或介质时，所有与信道相连 的以太网接口都读入该帧。并且察看该帧的目的地址。各个接口把帧的目的地址 与自己的4 8 比特地址进行比较。如果该地址与信息帧中的目的地址相同，则咳 以太网站点将继续读入该帧，在检测无误后将它送给计算机正在进行的上层网络 第2 章t c p 门p 嗍络机议 软件：当该地址与帧中的目的地址不同时，或帧检验有误时就丢弃此帧。 2 r 4 2 网络层 网络层，也称为互联网层，主要负责处理分组到网络中的活动。包括提供传 输层数据分片与封装、路由功能以及控制报文的生成与传送服务。i p 是t c p i p 协 义族中最为核心的协议，目前有i p v 4 和i p v 6 两种版本。 2 4 t 7 1 网际协议妒v 4 i p v 4 是网际协议( i p ) 的第4 版，在r f c 7 9 1 中有详细描述。i p 是t c p i p 协议族中最为核心的协议。所有的t c p 、u d p 、i c m p 及i g m p 数据都以i p 数 据报格式传输。 i p 协议在网络层中提供一种不可靠、无连接的数据传送服务。所谓不可靠就 是它不能保证i p 数据报能成功地到达目的地。i p 仅提供尽最大努力交付服务。 任何期望的可靠性必须由更高的层次提供。对t c p 应用程序而言，这是由t c p 本身完成的。对u d p 应用程序而言，这得由应用程序本身完成，因为u d p 本身 是不可靠协议。在发生错误时，i p 可以自行将数据报丢弃，然后再发送i c m p 报文给信源端。无连接是i p 并不维护任何关于后续数据报的状态信息，每个数 据报的处理是相互独立的，i p 数据报可以不按发送顺序接收。 如果一个路由器接收到的数据报太长而不能在下一个网络上发送时，i p 协议 就要将该数据报划分成一个个的分段，把源端地址和目的地址复制到每个划分后 的分组中，并作为一个个i p 分组发送出去。只有当这些分组全部到达目的地时， j 能被重组为原来的数据报。如果其中某个分组在传送过程中丢失，则目的主机 丢弃整个报文。 当i p 分组到达某个路由器或主机时，由于它们的处理速度太慢而来不及处 理上述i p 分组时，就会造成分组的丢失。i p 协议检测到这种情况即将发生前， 就要给发送分组或报文的源主机发送一个i c m p 的源主机抑制报文，要求源主机 放慢发送分组的速度。 l p 协议最重要的功能之一是路由。每个i p 数据报都包含源地址和目的地址。 在主机、路由器( 或网关) 传送i p 报文时，主机和路由器具有i p 报文传输路径 选择的能力。采用路由选择协议，将报文分组转发到不同的网络，从而达到i p 报文最佳路径传送的效果。i p 层中常见的路由协议有路由信息协议( r i p ) 、丌 放最短通路选择( o s p f ) 、边界网关协议( b g p ) 等。 2 4 2 2 网际协议i p v 6 i p v 6 是网际协议( i p ) 的第6 版。i p v 6 于上个世纪9 0 年代中期设计出来， 用以代替i p v 4 。主要变化是使用1 2 8 位大地址以处理9 0 年代因特网的飞速发展 所带来的i p 地址短缺问题。i p v 6 给t c p 、u d p 、i c m p v 6 提供传递分组的服务。 相对于i p v 4 ，i p v 6 有如下一些显著的优势： 1 地址容量大大扩展，由原来的3 2 位扩充到1 2 8 位，彻底