（模式识别与智能系统专业论文）基于internet的火灾实时监测关键技术的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 现代建筑要具备一定的火灾自动检测、自动报警、自动控制功能。为了避免或 减少火灾损失，实现对火灾早期预报是关键。数字图像处理实现火灾预报与传统的 预报方法相比可以有效地提高预报精度、大大缩短预报时间、提供更丰富的火灾信 息等。随着计算机技术、网络通信技术的飞速发展，为我们实现大面积、低成本地 对城市火灾的实时监控提供了新的思路。 目前i n t c m e t 存在不确定延时，这对火灾报警系统的实时性不利，本文深入研究 了t c p i p 协议和口路由原理以及路由器工作原理，详细分析了网络延时，针对常 规路由器公平转发所有数据包，提出了一种能识别对实时性不同要求的数据包，并 能智能插队转发对实时性要求较高的数据包的新的调度算法，可降低路由器转发对 实时性要求较高的数据包的延迟时间，提高在i n t e r n e t 上传输紧急信息的时效，为 低成本实现对实时性要求较高的系统提供了一种新的思路。 分形几何作为一个新兴的数学分支，为描述复杂事情提供了一套崭新的工具， 在越来越多的领域得到应用。分形维数是分形几何的一个重要特征参数，能够表征 物体表面的粗糙程度，在图像中实际反映了图像的纹理特征。本文将分形布朗模型 和分形维数引入火焰图像分析中，可以预报早期火灾，减少火灾的损失。 随着网络的应用越来越广泛，网络安全就变得越来越重要。信息加密可以防止 信息在开放的网络中传输时被窃听。从目前的应用情况来看，使用传统的方法进行 加密容易被攻破。目前国际上正在探讨使用一些非传统的方法进行信息加密，其中 混沌理论就是被采纳和得到广泛应用研究的方法之一。由于混沌序列具有对初始条 件的敏感性和伪随机性的优点，混沌序列可用作流密码。本文提出一种基于多模型 的混合混沌系统，它具有加密速度快，密匙空间大，不容易破解的优点。 关键词：t c p i p ，火灾报警，网络延迟，分形，火焰特征，混沌，混沌加密 重鏖查堂堡主堂垡堡奎 墨苎垫茎 a b s t r a c t t h em o d e mb u i l d i n g ss h o u l dp o s s e s st h ef u n c t i o no fa u t o m a t i cf i r ed e t e c t i o n , a u t o m a t i ca l a r m ，a u t o m a t i cc o n t r 0 1 i no r d e rt oa v o i do rr e d u c et h el o s s e so fp r o p e r t y w h e nf i r eh a p p e n e d ，w em u s tf o r e c a s te a r l yf i r e c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lf o r e c a s t m e t h o di nf i r ef o r e c a s t , d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gm e t h o dc a ni m p r o v et h ep r e c i s i o no f p r e d i c t i n g , s h o r t e np r e d i c t e dt i m e o f f e rm o r ea b u n d a n tf i r ei n f o r m a t i o ne t c w j mt h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , w e c a r lr e a l - t i m em o n i t o ru r b a nf i r ea tal o wc o s ti nl a r g er a n g e a tp r e s e n t ，t h e r ei sa nu n d e f i n e dd e l a yi ni n t e r n e t , w h i c hi sd i s a d v a n t a g e o u st o r e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft h ef n ea l a r ms y s t e m t h i sp a p e rf - t h e ri n v e s t i g a t e st c p f i p p r o t o c o l ，1 pm u t i n gp r i n c i p l ea n dm u t e ro p e r a t i o n a lp r i n c i p l e t h i sp a p e ra n a l y s e st h e n e t w o r kd e l a yi nd e t a i l d i f f e r e n tw i t ht h ew a yo fn o r m a lr o u t e ri nt r a n s m i t t i n ga l ld a t a p a c k a g e sf a i r l y , t h i sp a p e rp u tf o r w a r dan e wd i s p a t c ha l g o r i t h m , w h i c hc a ni d e n t i f y d i f f e r e n td a t ap a c k a g e so fd e m a n d i n gd i f f e r e n tr e a l - t i m ep e r f o r m a n c ea n dt r a n s m i tt h e d a t ap a c k a g e so f d e m a n d i n gh i g hr e a l - t i m ep e r f o r m a n c eb yj u m p i n gq u e u ei n t e l l i g e n t l y t h a tw i l ld e c r e a s ew a r n i n gt i m ed e l a ya n di m p r o v et h ed e p e n d a b i l i t yo fi m p o r t a n td a t a t r a n s m i t t e db yr o u t e r t h i sp a p e ro f f e r san e wk i n do fm e t h o dt os a r i s f yah i g hr e a l - t i m e s y s t e m a tal o wc o s t a san e wb r a n c ho f m a t h e m a t i c sa n dw i t ha g r e a ta b i l i t y t od e s c r i b ea n ds t u d yn a t u r a l p h e n o m e n o n , f r a e t a lg e o m e t r y h a sa t t r a c t e dag o o dd e a lo fa t t e n t i o na n dh a sb e e n a p p l i e d i nm o r ea n dm o r ef i e l d s a sa ni m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i cf o rf r a c t a lg e o m e t r y ，f r a e t a l d i m e n s i o nd e s c r i b e st h er o u g h n e s so fn a t u r a ls u r f a c e s t l l i sp a p e ri n t r o d u c e sf r a c t a l b r o w nm o d e la n df r a c t a ld i m e n s i o ni n t ot h et e x t u r ea n a l y s i so ff l a m ei m a g e s ，w h i c hc a n f o r e c a s te a r l yf i r ea n dr e d u c et h el o s s e so f p r o p e r t yw h e nf i r eh a p p e n e d a st h ea p p l i c a t i o no ft h en e t w o r kb e i n gi t l o r ea n dm o r ee x t e n s i v e ，t h en e t w o r k s e c u r i t yb e c o m e s m o r ea n dm o r e i m p o r t a n t i n f o r m a t i o ne n c r y p t sc a l lp r e v e n ti n f o r m a t i o n f r o mb e i n ge a v e s d r o p p e dw h i l et r a n s m i t t i n gi nt h eo p e nn e t w o r k a c c o r d i n gt op r e s e n t a p p l i c a t i o n ，t h et r a d i t i o n a lc r y p t o g r a p h i c m e t h o di s e a s yt o c r a c k a tp r e s e n t ，s o m e n o n - t r a d i t i o n a lm e t h o d si ss t u d i e di nt h ei n f o r m a t i o ne n c r y p t t h ec h a o st h e o r yi so n eo f i l 重庆大学硕士学位论文英文摘要 t h e mt h a ti sa d o p t e da n d a c q u i r e dt h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n h a v i n gs e n s i t i v i t yd e p e n d e n t o ni n i t i a lc o n d i t i o n sa n d p s e u d - r a n d o m n e s s ，w ec a n u s ec h a o t i cs e q u e n c ea ss t r e a m c i p h e r _ t h i sp a p e ro f f e r sac o m p o u n dc h a o t i cs y s t e mb a s e dm u t i p l em o d e lu s e da ss e q u e n c e c i p h e r , w h i c h h a sa h i 幽e n c r y p t i o ns p e e d ，al a r g ek e ys p a c ea n di sd i f f i c u l tt oc r a c k k e y w o r d s ：t c m p ，f i r ea l a r m , n e t w o r kd e l a y , f r a c t a l ，f l a m ec h a r a c t e r s ，c h o a s ，c h o a t i c e n e r y p t i o n 1 1 1 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 火的应用对人类的文明和社会的进步起了巨大的推动作用，然而火一旦失去控制， 也会给人类带来巨大的灾难，形成火灾。据统计，在众多的灾种中，火灾造成的直 接损失约为地震的5 倍，仅次于干旱和洪涝，而火灾发生的频度则居于各灾种之首。 科学技术的进步，使人类的防火、灭火手段发生了很大的变化，取得了可喜的 成绩，然而，随着社会经济的飞速发展、城市化进程的加快和人口的迅速增长，我 国火灾发生的次数，造成的损失呈上升趋势。据公安部消防局统计，2 0 0 3 全国共发 生火灾20 5 万多起，死亡1866 人，受伤2601 人，直接财产损失12 7 亿元。2 0 0 3 年火灾呈现出特大火灾增多，非重点单位火灾多发，商住楼、出租楼火 灾突出，小型娱乐场所、家庭小作坊火灾比重大，公共聚集场所火灾严重等特点。 2 0 0 3 年1 月，福建省福鼎市一居民楼底层的家具门市发生火灾，造成10 人死亡： 2 月，黑龙江哈尔滨市一酒店的火灾，夺去了33 人的生命；4 月，山东一食品公 司车间的大火造成21 人死亡。由此可见火灾形势十分严峻。另一方面，住宅的商 品化，国土的有偿使用，外资的引进，促使城市以平面扩张为主转为更多地向立体 空间发展，一栋栋综合性高层建筑物拔地而起，构成了现代都市的独特风貌。我国 规定高度超过2 4 米的建筑物称为高层建筑，高度超过1 0 0 米的建筑物称为超高层 建筑。由于高层建筑火灾具有火灾蔓延速度快，火灾隐患多，扑救工作和人员疏散 困难的特点，因此高层建筑一旦发生火灾，后果是不堪设想的。一座高大的建筑物 内可容纳成千上万的人在里面工作和生活，安全是每个人考虑的首要问题，而威胁 人类生存、侵吞人类生命财产的灾害中，火灾又是一种多发、常见的灾害，因此防 止火灾发生，减少火灾损失就成为人们普遍关心和深入研究的课题了。 1 2 国内外火灾探测器的发展现状 早在1 8 4 7 年美国牙科医生钱林( c h a 皿i n g ) 和缅因大学教授华迈尔( p a i i n e r ) 研 究出世界上第一台用于城镇火灾报警的发送装置，l g g o 年英国又研制成功了感温式 火灾探测器。j a v a 类开创了火灾自动探测报警技术的新纪元。一百五十年来，世 界上科学技术取得了突飞猛进的发展，火灾探测技术也楣应迅速发展，各种感温、 感烟、感光等类型的火灾探测器相继问世，一并日臻完善。 从1 9 世纪4 0 年代至2 0 世纪4 0 年代，经过漫长的一百年来，感温探 9 1 i i 器一直 占主导地位，火灾自动报警系统处于初级发展阶段。定温和差温探测器有双金属型、 水银接点型、易熔合金型、玻璃球膜胀型、热电偶型以及半导体型等等。由于其灵 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 敏度比较低，探测火灾的速度也比较慢，尤其对阴燃火灾往往不响应，因此，它一 直无法较好地实现火灾早期报警的要求。 直到2 0 世纪5 0 年代初，瑞士物理学家埃斯特迈里( e r n s tm e i l i ) 研究离子型感烟 探测器获得成功，感烟火灾探测器开始登上历史舞台。火势蔓延往往始于烟，感烟 探测技术使人类在实现火灾早期报警向前迈进了一大步，立刻引起了人们的重视并 得到广泛应用。从此，感温探测器被排挤到次要地位。随着电子工业的发展，场效 应晶体管什替了阴极射线管，使电路电压能够从2 2 0 v 降低到2 4 v ，用电池也可为探 测器供电。加之集成电路和微机的出现，又为离子感烟探测器的智能化提供了广阔 的前景。据统计，至1 9 7 0 年，整个欧洲已安装了近百万只。迄今，它在全世界范围 内仍占己安装探测器的9 0 左右。可以说，它以绝对优势占据中心地位长达三十年 之久。 7 0 年代末，因高寿命的光电元器件技术取得突破，光电感烟探测器才应运而生， 使离子感烟探测器面临新的挑战。十多年来，尽管人们对两种探测器性能上差异的 评价众说纷纭，但国外却一直在大力研制和发展光电感烟探测器，并取得长足的进 展、如在日本、瑞士它的销售量己上升到9 0 以上，欧洲也在大幅度减少离子感烟 探测器。同样，我国也开始出现类似的倾向。现在这两种探测器每年的销售量大约 是一对一，不相上下，平分秋色。 由于单元探测技术所采用的单一参数火灾探测器( 包括阐值触发式和模拟量式) 对火 灾特征信号响应灵敏度的不均匀性，导致它对实际火灾的探测能力受到了限制。鉴 此，单元火灾探测技术己无法满足现实火灾报警的需要。一种崭新的多元复合探测 技术悄然兴起。它决不是原有单一参数火灾探测器的简单组合，而是实施多元同步 探测，并及时进行综合智能信号处理，使二种或三种以上不同类型探测器的功能协 调地复合在一个探测器中。因此，它既是一种多维的传感器，又是一种智能型装置。 根据其同时测得的不同类型的火灾模拟量参数，并将其转换成数字信号，然后进行 综合智能算 法【”，以判断是否存在火灾危险。这样不但大幅度提高了可靠辨别真实 与虚假火灾的能力，还对不同类型的火灾都具有较高的灵敏度。 1 3 火灾监测技术的国内外研究及现状 现今火灾探测研究的焦点是如何量化探测器所处的火灾非火灾环境，其发展主 要有两个方向1 2 j ： 1 ) 纵向延伸：发展新的火灾判据、新的火灾识别模式和基于此的火灾探测 器或复合探测器。 2 ) 横向延伸：基于现有的探测原理方法，与其它技术交叉，通过改进信号 采集和处理方法来改善系统性能。 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 火灾探测器是传感技术与火灾探测算法相互结合的产物。因此，火灾探测算法 是火灾探测器的重要构成之一。2 0 世纪9 0 年代前期，火灾探测器绝大多数采用接 触式，其火灾探测算法可归纳为：阀值法和过程法。 1 ) 阀值法：阀值法是一种最简便、也是使用最为普遍的火灾探测算法。此方 法是设定一个( 或若干) 判断阀值。一旦检测到所探测的火灾物理信号超过判断阀值， 就发出火灾报警。 2 ) 过程法：人们注意到火灾是一个发展过程，相应的各个物理特征参量也表 现出一定的发展规律。于是将探测器改为传感器，把现场监测到的物理量信号变化 传送给计算机，计算机将这种信号变化历程与事先储存的、由模拟实验得到的实际 火灾信号变化历程进行相互比较，做出火灾是否发生的判断，再根据这种判断决定 是否给出火灾报警信号。 9 0 年代后，火灾探测算法与人工智能、自动化和信号处理技术等其他技术的 广泛融合推动了其自身发展。 1 ) 人工智能技术的应用：自从y o k a y a m a ( 本) 【3 1 和s n a k a n i s h i ( 本) 【3 川把神 经网络和模糊逻辑应用到火灾探测技术之后，它们已经成为提高现有探测系统性能 的利器。火灾探测系统不再单一依靠开关量信号，而是反映火灾特征的模拟量。神 经网络的自学习能力使系统能适应环境变化，其容错能力又提高了系统的可靠性。 国内外关于此方面的论文很多，m i l k e j a 【”、吴龙标【4 1 1 等和何建华 4 2 1 等在这方面 做了很多工作。模糊算法的应用使得经神经网络输出处理也难以判断的数据进行再 加工，进一步提高报警的准确性。 2 ) 与其他技术的融合 火灾探测技术在与其它技术的融合中得到不断的发展。 在统计方法上，t h o l m a s j m c a v o y ea 1 【4 3 】提出了一种基于统计的火灾算法，它 可以提高传统感烟探测器的准确度，尤其对阴燃有良好的响应。 王殊提出的复合特定趋势算法，能够根据信号的稳定值识别复合信号位于稳定 值上方的正方向变化和稳定值下方的负变化趋势。在趋势判断函数中引入判别门限， 有效克服了随机噪声干扰。 另外，r i c h a r dw b u k o w s k ic ta 1 l 提出了根据实际火灾的计算模型与探测器信 号进行匹配来判断火灾。 目前进行的研究工作大都是利用多种常规火灾探测器信号，用神经网络方法进行 处理。这就存在着信号的同步和匹配问题：火灾探侧的准确性要求多种火灾探测器同 时装在足够小的区域内，这不仅大大增加了火灾探测费用、增加了实现的可行性， 而且探测器数目的急剧增加在一定程度上反而降低了系统的可靠性。为了提高火灾 探测的质量，不仅要采用新的信号处理方法，而且要有新型的探测技术。 重庆大学硕十学位论文 1 绪论 1 4 火灾图像探侧的提出 火灾探测技术中，目前在绝大部分场合还是使用的感温、感烟、感光以及 复合型探测器，由于受到各种因素( 空间高度、空气流速、粉尘、温度、湿度等) 的 影响，或因为被保护场所的特殊要求，这些技术会遇到各种困难，从而失去效用， 例如在现在越来越多的大空间场所( 博物馆、剧院) ，需要早期或超早期发现火险的 重要场所( 核电站、电站) ，普通的传感器就无能为力了，其主要原因分析如下： 1 ) 感烟型火灾探测器是探测火灾产生的烟气并发出报警信号。火灾发生后， 温度较高的火灾烟气向上运动，安装于顶棚上的感烟探测器探测到烟气的浓度大于 某一极限浓度，就会发出报警信号。但是，火灾烟气在上升过程中会随着高度的增 加而温度逐渐降低，当空间高度增大时，烟气将不能到达顶棚，或者由于空气的流 动，使到达顶棚的烟气浓度达不到报警极限，感烟探头就不会产生报警信号。另外， 若粉尘浓度过大，会引起的感烟火灾探测器误报警，并且长期的粉尘环境和过大的 湿度也会使离子感烟型探测器失效，产生误报警或不报警。 2 ) 感温火灾探测器是探测由于火灾而产生的温度变化来发出报警信号的。 由于空间高度或空气的流动等原因，使火灾高温气体无法到达顶棚时，感温火灾探 测器将无法发挥正常的作用。或者当环境温度较高时，该类防火探测器容易产生误 报。 3 ) 感光火灾探测器是探测火焰发出的红外或紫外光并发出报警信号的。由 于判据单一，容易对高功率热源或强光( 如电弧等) 产生误报警。 4 ) 复合型防火探测器并没有完全消除以上的缺点，仅仅增加了判据的数目， 使探头的整体性能稍有改善，但仍无法应用于大空间火灾的探测报警。 传统的传感器在大空间、大面积、环境比较恶劣和室外环境等场所他们的应用 效果较差，因为这些火灾报警系统多采用检测浓度法，而并不检测火焰本身，所以 其检测时间较长，对某些情况无法预报，比如无烟火灾，也不能预报早期的火灾， 这将大大增加火灾的损失。而运用数字图像处理技术利用火灾火焰的图像特性却能 解决以上场所的火灾探测问题。 1 5 论文的选题背景 火灾是一种常见的灾害，严重威胁着人类生命和财产安全，近年来我国火灾发 生的数量和造成的破坏很大，每次火灾都造成巨大的损失，对国民经济发展和人民 生命财产构成巨大的威胁。对火灾进行实时监测，迅速报警及时控制和消除灾情就 变得越来越重要。火灾发生的原因多种多样，火灾初起时，即在起火的5 7 分钟 内，火势较弱，燃烧面积较小，此时能否将火势控制住甚至扑灭，是减少损失的关 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 键。目前我国的许多城市，大部份的火灾发生后，通过1 1 9 电话向消防中心报警，消 防中心再通过电话调度消防队奔赴火灾现场，这将大大延长报警的时间，而且通过 电话传递火灾信息可能造成发生火灾的地址不够准确、详细，甚至某些同音字可能 使消防中心得到错误的火灾地址。消防部门不能快速、准确定位火灾源，这将大大 延迟消防队到达火灾现场的时间，错过扑救初起火灾的有利时机，扩大火灾损失， 目前，我国新建的建筑中已采用了消防联动系统，这些消防联动系统大多应用于局 域网，只能在单个楼宇内实现，通过专用的信道与消防部门联系，专用的信道费用 高，造成不必要的资源浪费。传统的消防系统只是一个单系统，未实现消防部门的 自动化。现在的消防系统无法满足和实现城市大范围内的火灾自动监测和在最短时 间内到达火灾现场，也不利于消防部门指挥调度，现有的火灾报警系统不能快速准 确地报警，不能满足现代消防的要求。 随着i n t e r n e t 的迅速发展，我们可以方便、快速地通过i n t e r n e t 获取和传递 文本、图片、声音和图像，为城市火灾自动化报警技术的发展提供了一条崭新的思 路。鉴于消防现状，我们提出基于i n t e r n e t 的火灾实时监测系统，对现代城市火灾 进行大面积、低成本实时监测，使报警、消防、通信、交通、信息融为一体。本课 题得到重庆市应用基础研究基金的赞助。 1 6 论文的主要工作 本文将针对i n t e r n e t 的不确定延时进行分析并提出相应的解决方案：为了减少 火灾损失，本文将数字图像处理技术来识别早期火灾；由于i n t e r n e t 的开放性，本 文将对信息安全问题进行研究并提出相应的解决方案。本文的主要工作如下： 1 ) 本文对t c p i p 协议以及路由器模型进行研究，详细阐述了域名请求延迟、 t c p 连接建立延迟、路由查表延迟、排队延迟和传播延迟，并研究对应的实时性策 略。 2 ) 本文提出了基于i n t e r n e t 的火灾实时监测系统总体设计方案。 3 ) 本文对现有的火灾探测技术的不足之处进行分析，提出数字图像处理技术 方案。 4 ) 本文对常规数据加密进行了系统分析，提出了一种基于多模型的混合混沌 加密系统。 重庆大学硕士学位论文 2t c p i p 协议及网络编程 2lp 路由及网络编程 2 1ln t e r n e t 的发展历史 i n t e m e t 是全球最大的计算机国际互联网络，是一个由上万个网络互联的巨大信 息资源组成的集合，是一个全球性的信息系统，系统中的每台主机都有一个全球唯 一的主机地址，地址格式通过m 协议( 网际协议：i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 定义。系统中主 机与主机间的通信遵守t c p f l p 协议( 传输控制协议网际协议：t r a n s m i s s i o nc o n t r o l p r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c d ) 标准、或是其它与i p 兼容的协议标准来交换信 息【1 1 l 。从技术上来说，i n t e m e t 是由多网络互联构成的“网中之网”( n e t w o r k so f n e t w o r k s ) ，用户可在其上访问浩如烟海的共享资源方便地交换信息和合作共事的 “虚拟网络”；它基于一个共同的通信协议族t c p i p 。由网络路由路，通信线路、 计算机和通信设施互连而成。i n t e m e t 现已成为全球最大的信息资源基地，是全人类 的巨大财富。i n t e m e t 将全球的网络都连接在起，形成网网相连，所以说在i n t e m e t 上的应用其实也就是网络的应用。i n t e m e t 采用统一的t c p i p 协议族。t c p i p 协议族是目前异构网络用户唯一可获得的开放网络协议体系，己成为事实上的工业 标准，它适用于各种机型和各种网络类型。 1 9 6 0 年代美国国防部( d e p a r t m e n to fd e f e n s e ：d o d ) 为了使不同规格的计算 机( 指使用不同的操作系统、文件格式等) 能互相通讯，以便能使资源共亨，发挥最 大效益。于是成立了美国国防部高等计划研究局( a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t a g e n c y ：a r p a ) ，a r p a 架设了一个实验性的网络，称为a r p a n e t 1 2 】。 a r p a n e t 主要是建立在n c p ( n e t w o r kc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 这个通讯协议之上， a r p a n e t 的另一个特性是建立一个稳定性高的网络，使其不会受到单一或区域故障 的影响，而能正常运作。 到了7 0 年代，d o d 将a r p a n e t 交由所属的国防通讯局( d e f e n s ec o m m u n i c a t i o n s a g e n c y ：d a c ) 负责，后来a r p a 单位改名成d a r p a ，1 9 7 2 年提出了第一份t e l n e t 标 准一“a dh o ct e l n e tp r o t o c o l ”；1 9 7 3 年产生了f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 文件传输协议，它主要的功能时将文件从一台机器传输到另一台机器；1 9 7 4 年传输 控制协议( t c p ) 诞生；1 9 8 1 年互联网协议( i p 标准) 颁布；1 9 8 2 年d a c 和a r p a 创立 了传输控制协议和互联网协议作为一套t c p i p 协议；1 9 8 3 年u c b 公布了一个u n i x 版本，它内嵌了t c p i p ，由于u n i x 得到广泛使用，a r p a n e t 从n c t 转入t c p i p ： 1 9 8 4 年引入了域名d n s 。1 9 8 6 年美国国家科学基金会n s f ( n a t i o n a ls c i e n t i f i c f o u n d a t i o n ) 建立了远程主干网n s f n e t ，n s f n e t 联通了n s f 的全部超级计算中心并 与a r p a n e t 相联。 重庆大学硕士学位论文 2t c p i p 协议及网络编程 1 9 9 0 年，n s f n e t 替代a r p a n e t ，成为i n t e r n e t 的主干。 1 9 9 2 年，n s f n e t 的主干网速率从1 9 8 9 年的1 5 4 4 m b p s ( t 1 ) 提高到4 5 m b p s ( t 3 ) 。 上述所提到的t c p i p 协议，事实上是一个协议组，也就是说，所谓的t c p i p 协议是由数个协议所组成的。t c p i p 是取其中两个主要的协议，t c p 以及i p 来命名 的。 2 2 t o p l p 协议体系 2 2 1 o s l 参考模型 计算机通信网主要是由若干个用户终端( 信源和信宿) 、节点( 信息处理和交换) 以及它们之间的传输链路组成。这是一种物理结构的描述。若从逻辑结构上来描述， 计算机通信网是网络功能分层和协议的集成，即所谓网络体系结构。协议层次描述 协议软件的基本结构，是网络体系结构中最重要的内容之一。 我们知道，一个计算机网络有许多相互连接的节点，这些节点之间不断地进行数据 交换，要做到有条不紊地交换数据，每个节点必须遵守一些预先约定好的规则，这 些规则明确地规定了所交换数据的格式以及有关的同步问题。这些为进行网络中的 数据交换而建立的规则、标准或约定即称为网络协议。 随着网络技术的进步和各种网络产品的出现，一个实际问题摆在人们面前，就 是对网络公司或广大用户来说。都希望解决不同系统的互联问题。在此背景下，1 9 9 7 年国际标准化组织( i s 0 ) 专门成立了一个委员会。在分析和消化已有网络的基础上， 考虑到联网的方便和灵活性等要求，提出了一种不基于特定机型、操作系统或公司 的网络体系结构，即开放系统互联参考模型( 0 s i r m ：o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n ) 。0 s i 定义了异种机联网的标准框架，为连接分散的“开放”系 统提供了基础。这里的“开放”表示任何两个遵守则标准的系统可以进行互联。 0 s i 考模型如表2 1 所示。它采用分层结构技术，将整个网络的通信功能分为 七个层次，由低层至高层分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、 表示层和应用层。 表2 i o s i 参考模型 t a b l e2 1r e f e r e r l c em o d e lo f 0 s l 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 重庆大学硕士学位论文 2t c p i p 协议及网络编程 o s i 参考模型分为7 层，其i - 3 层主要负责通信功能，一般称为通信子网。上三 层即5 - 7 层属于资源子网的功能范畴，称为资源子网。传输层起着衔接上下三层的 作用。 1 ) 物理层 物理层并不是指连接计算机的具体的物理设备或具体的传输媒体。物理层主要 考虑的是怎样才能在连接开放系统的传输媒体上传输各种数据的比特流。在0 s i 参 考模型中，物理层的功能定义为“在数据链路实体之间提供激活、维持和释放用于 传输比特的物理连接的方法，这些方法有机械的、电气的、功能的和过程的特征”。 2 ) 数据链路层 数据链路层的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络层显现 为一条无错线路。发送方把输入数据分装在数据帧里，按顺序传送各帧，并处理接 受方回送的确认帧。 3 ) 网络层 网络层主要负责从源端向目的端传送分组。中间可能要经过多个网络节点，这 些节点暂时存储接收到的分组，然后根据网络中的流量情况选择下一个节点把分组 转发出去。这个过程在沿线各个节点上重复，直到分组到达预定的目的端。 4 ) 传输层 传输层是整个网络体系结构中的关键部分，它是利用通信子网提供的服务，实 现两个用户进程之间端到端的可靠通信。 5 ) 高层协议 会话层、表示层和应用层一起构成o s i p 珈的高层。它们和下面的四层不同。 低层涉及到提供可靠的端到瑞的通信，而高层则与提供面向用户的服务有关。高层 利用传输层提供的无错信道，并增加一些广泛应用所需要的附加功能。 会话层：负责会话的管理和数据传输的同步。 表示层：负责数据格式的转换。 应用层：提供与用户进程的接口。 2 2 2t c p i p 体系结构 i n t e r n e t 今天的成功应归功于t c p i p 协议。t c p i p 摒弃了应用级完成网络互 联的思想。它首先确立网络层次概念，将网络互联的任务放在网络级上。当然高层 协议也需要转换或一致的问题，但t c p i p 把它们留给高层解决。而对用户或应用程 序来说，t c p i p 提供给它们的是分组交换的服务，而不是网络的互联，这就隐蔽了 网络的硬件细节避免了应用级互联的缺陷。网络在解决互联问题时不必去关心应 用问题，互联与应用都得到了解脱。这种思想使网络互联大为简化。实践证明，这 重庆大学硕士学位论文 2t c p ，i p 协议及网络编程 种思想使网络的扩展和重构都变得相对容易了。网络级互联的思想归纳起来，就形 成了互联网( i n t e r n e t 或i n t e r n e t w o r k ) 概念，这也是i n t e r n e t 名字的来源。 另外在对待传输差错问题上，t c p i p 也有其独特的思想。t c p i p 认为传输的可 靠性是端到端的问题，网络层不予解决。网络层允许数据丢失或损坏，网络层可以 抛弃损坏、超时、溢出的数据报，并可随意选择路径。这就给网络层以巨大自由， 使得网络软件容易实现也容易理解。尤其在今天通信媒体的传输质量曰益提高的情 况下，其通信效率的优势也日益明显。 t c p i p 确立的网络层次思想开创了现代计算机网络的格局。虽然t c p i p 的层次 结构不同于o s i r m 参考模型，o s i r m 参考模型依然是t c p i p 层次思想的延伸。 网络通信协议为计算机之间以及计算机网络之间提供了数据交换的能力，这样 的协议包括s n a ，d e c n e t ，t c p i p ，i s 0 0 s i 等等，其中t c p i p 的应用最为广泛。 同i s 0 0 s i 比较、t c p i p 更加简单、实用、高效和成熟，产品十分丰富，而且以t c p i p 为网络协议建立起来的i n t e r n e t 发展十分迅猛，两者之间形成了良性循环，所以 t c p i p 已经成为当今网络协议的主流和事实上的工业标准。 t c p i p 这个术语并不仅仅指网际协议( i p ) 和传输控制协议( t c p ) ，它包括许多 与之相关的协议和应用程序，是个协议族。除了i p 和t c p 外。t c p i p 较低层的 协议还有地址解析协议( a r p ) 、反向地址解析协议( r a p r ) 、差错与控制协议( i c m p ) 、 路由协议、用户数据报协议( u d p ) 等；t c p i p 应用层的协议有文件传输协议( f t p ) 、 远程登录协议( t e l n e t ) 、简单邮件传输协议( t f t p ) 、简单网络管理协议( s n m p ) 、网 络文件系统( n f s ) 等。表2 2 1 1 q 给出了t c p i p 的网络体系结构及各协议所处的位置。 作为比较，表中也给出了i s o o s i 的7 层协议参考模型。 表2 2t c p f l p 和o s l 网络体系结构 t a b l e2 2t c p i pa n do s in e t w o r ka r c h i t e c t u r e 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 f t p1 b k n e tn f s 应用层s 盯ps n 皿x d r t f t ph t i pr p c r t pr s v pp v pn v p 传输层 t c pu d p s t - i i 数据应用 i pi c m p m s t - i is c m p 网络层c g pe g pi g p a r pr a r p l a n ，x 2 5 ，s m d s ，其他网络 网络接口层 传输介质( 双绞线，同轴线，光缆，无线等) 如表2 2 所示t c p i p 模型由四个层次组成： 1 ) 应用层 应用层向用户提供一组常用的应用程序，比如文件传输访问、电子邮件等。严 9 重庆大学硕士学位论文 2t c p d p 协议及网络编程 格说来，t c p i p 互联网协议只包含下三层( 不含硬件) ，应用程序不能算t c p i p 的 一部分。就上面提到的常用应用程序，t c p i p 制定了相应的协议标准，所以也把它 们作为t c p i p 的内容。事实上，用户完全可以在互联网之上( 即传输层之上) ，建立 自己的专用应用程序，这些专用应用程序要用到t c p i p ，但不属于t c p i p 。 2 ) 传输层 传输层( i p ) 提供应用程序问( 即端到端) 的通信，其功能包括：格式化信息流； 提供可靠传输。为实现后者，传输层协议规定接收端必须发回确认( a c k n o w l e d g e ) ， 并且假如分组丢失，必须重新发送。传输层的作用是向信源机与信宿机提供端到端 的数据传输，而传输层以下各层只提供相邻机器的不可靠的点到点传输。 传输层还要解决不同应用程序的识别问题，因为在一般的通用计算机中，常常 是多个应用程序同时访问互联网。为区别各应用程序传输层在每一分组中增加识 别信源和信宿应用程序的信息。另外，传输层每一个分组均附带校验和，接收机以 此校验收到分组的正确性。 i n t e r n e t 提供两种传输层协议，即面向连接的t c p ( t r a n s p o r tc o n t r o l p r o t o c o l ，传输控制协议) 和无连接的u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报 协议) 。t c p 和u d p 共存于i n t e r n e t 中。t c p 提供高可靠性服务，u d p 提供高效率服 务。u d p 建立在i p 协议之上，提供无连接数据报传输，相对于i p 协议，它唯一增 加的功能是提供协议端口，以保证进程通信。u d p 主要用于一次传输交换少量报文 的情形，其可靠性由应用程序提供，因为交换次数不多，即使发生传输错误必须重 传时，应用程序也不会为此付出太大的代价。t c p 提供面向连接的流量传输，提供 端到端的可靠性。t c p 协议的主要功能是差错控控制、拥塞控制和连接处理。 t c p 主要用于传输大量数据，u d p 主要用于传输少量数据。 3 ) 网络层 网络层( i p ) 负责相邻计算机之间的通信，即点到点通信。其功能包括三个方面： 一是处理来自传输层的分组发送请求：收到请求后，将分组装入i p 数据报，填充报 头，选择去往信宿机的路径，然后将数据报发往适当的网络接c l 。二是处理输入数 据报，即首先检查其合法性，然后进行寻径：假如该数据报已到达信宿地( 本机) ， 则去掉报头，将剩下部分( 传输层分组) 交给适当的传输协议；假如该数据报尚未到 达信宿，则转发该数据报。三是处理i c m p 报文，处理路径、流控、拥塞等问题。网 络层的任务就是选择合适的路由，使发送方的传输层所传下的分组能够正确无误地 按照地址找到目的地。 4 ) 网络接口层 这是t c p i p 软件的最低层，负责接收i p 数据报并通过网络发送之，或者从网 络上接收物理帧，抽出i p 数据报，交给i p 层。网络接口有两种类型：第一种是设 1 0 重庆大学硕士学位论文 2t c p i p 协议及网络编程 备驱动程序( 如局域网的网络接口) ；第二种是含自身数据链路协议的复杂子系统( 如 x 2 5 中的网络接口) 。 2 2 3t o p l pt 作原理 在源主机上应用层将一串字节流传给传输层；传输层将字节流分成t c p 段，加上 t c p 包头交给i p 层；i p 层生成一个包，将t c p 段放入其数据域，并加上源和目的主 机的i p 地址后，交给网络接口层，再交数据链路层，数据链路层在其帧的数据部分 装上i p 包，发往目的主机或i p 路由器处理。 在目的主机处，数据链路层将数据链路层帧头去掉，将i p 包交给网络接口层再 交i p 层，i p 层检查i p 包头，如果包头中的检查和计算出来的不一致，则丢弃该包； 如果检查一致，i p 层去掉i p 头，将t c p 段交给