Windows平台下TCPIP协议的设计与实现

1、优秀目录1. 引言12. tcp/ip协议概述13. tcp/ip协议的系统设计24. tcp/ip协议的系统实现35. 结论116. 详细设计代码13wi ndows平台下tcp/1p协议的设计与实现1. 引言本文背景基丁一个tcp/ip协议改进项目，项目耍求通过改进tcp/ip协议拥塞控制 算法 來提高无线网络环境卜的数据乔吐量。目前的tcp协议在无线网络环境下无法 区分岀拥塞丢包与误码丢包，根据这两种不同的丢包原因需要对tcp的窗口进行不 同的调整，因此需 要对现有的tcp/ip协议进行改进。针对这个需求提供的一个解 决方案就是口己开发出一套tcp/ip协议以替代系统tcp/ip协议，但

2、是并不需要实现 整个tcp/ip议族，重点实现tcp与ip协议即可。2. tcp/ip协议驱tcp/ip协议是internet的技术基础。internet是一个丿'-域网，是目前联通世界上 绝大多数国家和地区的全球性信息系统。在internet上，可以实现低成本、高速率、 交互式的信息 杳询、信息发布、通讯联络以及协同作业等等现代化的工作、学习 和生活。tcp/ip协议族通常分为四个层次，应用层、传输层、网络层和链路层。如图1所示:应用层(ftp, smtp等)传输层(tcp, udp等)网络层仃p, icmp等)链路层(网卡驱动等)图1 tcp/ip协议族四层结构应用层向用户提供一组

3、常用的应用程序，比如电了邮件(smtp)、文件传输访问(ftp)、远程登录(telnet)等。传输层提供进程间端到端的通信。在tcp/ip协议族屮，主要有两种不同的传输 协议：传输控制协议(tcp)和用户数据报协议(udp) o tcp提供面向連接的、可靠的(没 冇数据重复或丢失)，全双工的数据流传输服务。而udp则捉供的是不可靠的而向 无连接的数据传输服务，其可靠性应由上层应用程序來支持。网络层，主要负责数据包的分组及路由选择。在tcp/tp协议族中，网络层协议包括 网际协议ip、互连网控制报文协议icmp、地址转换协议arp和反向地址转换协议rarr。链路层处于四层结构的最低层，负责接收i

4、p数据报并通过网络发送之，或从网 络上接 收物理帧，抽出ip数据报，交给ip层。通常包括网络设备驱动程序及网络 接口卡等。3. tcp/ip协议的系统设计以windows网络体系结构为基础，参照windows ddk屮关于网络协议驱动与传输驱动 接口(tdi)的相关资料，以及考虑到与原有系统tcp/ip兼容，提出的设计方案如图2 所示。win 32 apitdi客八td1扌攵i indis扌如itd1役输器下层微錮n駅动(miniport driver)图2 tcp/ip协议设计框图应用程序也就是根据协议开发的特定应用。这里是针对开发的tcp/ip协议编写 的一个ftp小应用程序，用来测试开发

5、的协议。应用程序通过win32 api接口将其操作转化成相应的请求提交给tdi客户。传输驱动程序接口(tdt)客户是核心态的驱动程序。它的主要功能是完成上层 应用 程序的请求，或者根据该请求产生相应的tdi操作，并将该操作传递给下层的 tdi传输器。tdi客户通过win32 api接口与上层应用程序交互；通过tdi接口与下层 td1传输器进行交互。tdi传输提供者(tdi transport provider)又称为tdi传输器，dis协议驱动程 序，以及协议驱动程序，是工作在核心态的协议驱动程序。其中tcp协议，叩协议， arp协议 等都是在这个模块屮实现。它通过tdi接口与上层的tdi客户

6、进行交互；通 过ndis接口与下层微端口駆动进行交互。nd1s下层微端口驱动程序是工作在核心态的驱动程序，它负责将td1传输器接入 至特 定的网络适配器。它通过ndis接口与上下层进行交互。4. tcp/ip协议的系统实现由图2中可以看岀，整个系统可分为四部分，应用程序、tdi客户、td1传输器和 卜层 微端口驱动。事实上对于下层微端口驱动并不需要考虑，因为可以直接调用 ndts库函数将数据转发到这层，处于这层上的驱动会自动将数据送出网络适配器。 因此真正需要开发的也 就是上面三个部分。应用程序是用来实现简単文件传输的， 因此考虑开发两个小应用程序，一个为服务器端，一个为客户端，服务器端用来

7、监听和处理来自客户端的连接请求。客户端主要是向服务器端请求连接和发送数 据。tdi客户负责将来口应用程序的请求进行相应的处理z后转发给卜层的tdi传输 驱动。tdt传输驱动主要是实现tcp, tp等功能，并与下层的ndis接口进行交互。 4.1应用程序的实现客户端可以通过本地的某个端口向对方发送数据。并显示一些错谋状态。 服务器端，可以指定在本地的某个端口监听连接请求，接收数据，并显示一些状态。 实现：通过devicelocontrol及相应controlcode来将命令传输到下层的tdi客 户。主要接口 函数：createfile 和devicelocontrolcreatefile函数原型

8、:handle createfile(lpctstr ipfilename,dword dwdesi red a ccess,dword dwsharemode,lpsecurity_attributes ipsecurityattributes,dword chvcreationdisposition,dword dwflagsandattrihutes,handle htemplatefile）；ipfilename在这里就是指向要操作的tdi客户（驱动）的符号链接，符号链接是 下层驱动程序对win32子系统可见的引用符号，也就是代表了一个下层的张动。这个函 数的功能是打开下层的tdi客户

9、，并返回该设备句柄，以后对设备的所有操作都是通过该 句柄來引用。devicelocontrol 函数原型：bool deviceiocontrol（handle hdevice.dword dwiocontrolcode,lpvoid ipinbuffer,d word nlnbuffersize,lpvoid ipoutbujfer,dword noutbuffersize,lpd word ip bytes re tu rn ed,lp over la pped ipoverlapped）；hdevice和dwiocontrolcode是这里最重要的两个参数。前者是前而createfile

10、返 回的句柄，代表设备对象，在这里即是下层的tdi客户，表明是对它进行操作；后者是i/o 控制码，表明要在该设备上进行的操作类型，如发送数据，这个控制码可以是口定义的。 在应用程序调用了devicciocontrol z后就将操作请求提交给了处于系统内核中 的tdi客户。4.2 tdi客户的实现tdi客户将上层应用程序发过来的i/o请求包（irp）进行处理，能在木层处理的则 处理后直接返回，需要底层继续完成的则先将当前的irp状态设置为挂起，然后重新设 置一个trp移交给下层驱动继续处理。实现：主要是tirdctcpiocontroldispatch派遣例程的实现。这个派遣例程与devicel

11、ocontrol函数相对应。其主要功能是根据应用程序的不同请求（携带在irp 屮的iocontrolcode）进行不同的处理。只是这里需耍额外考虑的是，需要在tdi客户的 该例程屮事先判断下是对服务器端的tdi客户操作还是针对客户端的tdi客户进行操 作。主要接口函数：xxxjocontroldispatch,tdibuildxxx 和iocalldriveroxxxjocontroldispatch 函数原型：ntstatusxxx_devi celo controlin pdevice_objectpdeviceobject,in pirp plrp）；驱动程序屮注册的派遣例程都是pdev

12、iceobject和plrp这两个参数，前面代表了要 操作的设备对彖，后者代表i/o请求类型。pdeviceobject在这里具体的是只指服务器 端的tdi客户或客户端的tdi客户。现在以服务器的tdi客户为例，假设要对其进行一个监 听操作，则此吋irp屮所携带b'jiocontrolcode则是一个代表监听操作的控制码。这个函数 就是根据不同的控制码来决定要进行的操作直接完成irp或者是转发请求到下层。对于我们的协议來说，很多情况下tdi客户是不能独立完成一个irp请求的，需要 转发到下层也就是它的tdi传输器来继续完成irp的。这个吋候就会用到后面的两个 重要函数tdibuildx

13、xx,和iocalldriver 了。tdibuildxxx函数原型：根据10控制码的不同，该函数的声明也稍有区别。仍旧接着前面的事例，tdi客 户不能够独口完成应用程序的监听请求，因此需要借助tdibuildxxx函数来牛成相应 的 irp,交给卜层的tdi传输器进行处理。这里的xxx既代表不同的操作，对于监听来说, 既是tdibuildlisteno其函数原型如下：voidtdibuildlisten(pirp irpfpdevice_object devobj,pfile_object fileobj,pvoid comproutine,pvoid contxt,ulong flags,

14、ptd1_connectionnf0rmat10n requestconnectionlnfo.ptdiconnectionjnformation returnconnectionlnfo)；这个函数中最重要的三个参数是irp、devobj和fileobj,第一个是预先分配好的一 个irp结构体指针；第二个是这个irp将要转发到的设备对象，也就是tdt传输器; 第三个是tdi传输器的文件对象指针，可以是代表传输地址的文件对象，可以是代 表连接端点的文件对彖，可以是代表控制信道的文件对彖，不同的文件对象上可以进行的操作也不一 样，比如tdi.listen操作只可以在代表连接端点的文件对象上进行。

15、该函数主要 是对新建的irp进行设置，关键是给这个irp设置了操作码为tdllisten.在创建了这个irp以后, tdi客户将这个irp请求转发到它的tdi传输器，这个过程是通过调用 iocalldriver函数来实现的。localldriver 函数原型：ntstatusiocalldriver(in pdevice_object deviceobjectfin out pirp irp)；该函数将irp请求转发给指定的设备对象。在我们的程序中，既是将tdi客户中生 成的irp发给下层的tdi传输器，即我们的协议驱动进行处理。deviceobject为代表f 层 tdi传输器的设备对象,i

16、rp为要进行的操作，如而面事例中生成的tdllisten请求。 在tdi客户调用iocalldriver之后，irp请求就转到了tdi传输器，即我们的tcp/ip协议中处理了。4.3 tdi传输器的实现tdi传输器也就是我们的协议驱动，也就是tcp/ip协议。简单的说，这层的主要 操作仍然是根据上层tdi客户捉交过来的请求进行不同的处理。只不过这里又冇特殊的 含义，就是耍完成tcp/ip的相应功能，因此这一层是我们实现中最重耍的部分。在这层中，tdi传输器接收到上层tdi客户转交过來的请求，系统根据用户注册 的函数入口找到处理请求的函数irdctcpinternaldevicecontrold

17、ispatch。该函数则根据操 作的对彖和操作的类黑进行不同的函数调用。irdctcpinternaldevicecontroldispatch 的函数原型：ntstatusirdctcpinternaldevicecontroldispatch(in pdevice_object deviceobjectfin pirp irp)参数deviceobject代表了当前的设备对象,也就是tdi传输器。irp为irp请求指 针，表明了要操作的文件对象和需要进行的操作。该函数首先根据不同的文件对象 进行分类，然后对某一个文件对象可以进行的操作进行列表。当某一请求到来时， 根据比较这些参数找到对应的

18、操作。以下就按tcp/ip i办议对数据的处理流程详细 进行分析。依数据传输的方向大致可以分成发送和接收过程。4. 3.1发送过程上层应用程序发起一个发送请求。首先应用程序调用createfile函数打开tdi客 户，然后调用devicelocontrol将请求转发到内核的tdi客户，tdi客户进行相应 的处理之后，调用tdibuildsend设置一个tdi.send请求，然后再调用 iocallerdriver将该请求转发给tdi传输器，即tcp/ip协议进行处理。为了描述主 线，这里暂把先前tcp建立连接的三次握手过程给省略了。发送过程如图3所示。图3发送框图数据从tdi客户进入tdi传输

19、器后，经过一系列的函数调用，生成适合在网络上 传输的数据包。这个过程包括对数据的封包，超时，创建重传队列，数据分片，路 由设置等。发送数据时首先双方应该建立连接前完成一个三次握手的过程，在连接 建立以后双方开始进行可靠的通信。图4所示为建立连接以后，发送过程在tcp/ip 协议层屮函数的调用流图。tdi传输器的派逍例程调用tcp_send函数发送数据，将 数据转入到tcp层，完成tcp层的包头以及控制状态的设置。在调用ip_queue_xmit 后，数据转到ip层进行处理，在这里完成ip包格式的设置以及分片操作等。最后 调用ether.output函数设置好mac头以后，一个完整的数据帧就行成

20、了，然而为 了符合ndis对数据包格式的封装要求，这里需要对数拯结构进行调整。数据在进 入ether_output函数前一直是以sk_buff的形式进行管理的，这个结构体冇四个指 针，通过对这四个指针的上下移动來对数据进行操作。在进入ether.output函数z 后数据重新打包成适合ndis接口传输的packet形式。然后调用ndis函数 ndissend函数将数据由下层驱动送出。td1客户图4发送过程tcp/ip协议层函数流程图4. 3. 2接收过程下层网卡接收到数据以后，将通知微端口驱动程序，微端口驱动程序再将数据指示 给ndis协议张动程序进行处理。在协议层中对数据进行一系列的处理之后

21、再通知 给td1客户，tdi客户再将数据通知给上层应用程序。接收过程如图5所示。微靖i 1加动和庁指小的数抑;图5接收框图数据从微端口指示给ndts协议驱动以后，首先将ndis层的数据包格式packet拆 开组装成sk_buff的形式，设置好该结构的各个成员。然后调整它的四个指针来获 取不同层的实际数据。首先分离出mac帧头，判断收到的包是否为ip包，否则直 接丢弃，是则继续往上进入1p层处理。然后分离岀1p头，判断当前包是否分片， 是则等收齐所有分片以后重新组包往上传递，不是则直接上传。最后分离出tcp头, 通过分析tcp头中所携带的信息，以及当前tcp所在的状态來进行相应的处理。如 当前的

22、tcp状态是尚未建立连接则调用tcp_rcv_state_process函数，该函数根据 tcp头中标志位的置位情况来进行相应处理。如果己经建立连接则调用 tcp_rcv_established函数进行数据的接收过程处理，将接收的数据加入队列，当 队列满了以后通过设置事件的信号态來指示上层的tdi客户有数据到达，然后tdi 客户以同样的方式通知上层应用程序。接收过程tcp/tp协议层中的函数调用过程 如下图6所示。tdi紗图6接收过程tcp/tp协议层函数流程图5.结论本文以rfc文档中关于tcp/ip协议的标准规范为理论基础，以windows ddk 为开发工具，结合项目需求，设计开发了一套

23、tcp/tp协议。本套协议并未实现整 个tcp/ip协议族中的所有协议，只是对tcp和ip部分进行了实现。在前面总体协 议框架的设计基础上，最终得到的产品有，ftp测试应用程序，tdi客户及tcp/ip 协议(tdi传输器)。下而是测试该tcp/ip i办议的部分截图。图7为启动加载tcp/ip 协议(irdctcp)与ti)i客户(tditirdctcp)的截图。图8为协议接收数据的截图。file idit channels vie* options help创*©|x|剖ia|a|制ek囲w昌囤tue : message text6b666b6635353597535355355

24、3 7 7 7 7 7 7 7 t ay ay ay ay ay nbqv ay -y qw hmv -y ny ay «y qv qv qw qvirdctcp: drivereittryirdctcp: d:iveren:ry: cancelld 0irdctcp: refopen: open 840bf720, old ref 0, irdctcp: great ebinding: open 840朋720/0, devi( *«x»createbindin:tdire(isterdeviceobject»*> »*>)

25、87;creat ebindin(: tdire(isternetaddress*<* irdctcp: great ebinding: opencomext 840bf72o, irdctcp: pnpevent: open 00000000$ even: 6，st; tdi?irdctcp:tdittcp: driverentn tdi：irdctcp:regis:rypath： registryhachines tdi?irdctcp:tclientjeviceload: entry. tdi?irdctcp:*>*«?client deviceload end*&

26、quot;* tdiirdctcpjtserver.deviceload: entry. tdi?irdctcp:*«?server deviceload end*t* 一 end 一图7启动tcp ip协议与tdi客八截图mwag. tirt irdetcpreceive: entryirdctcp: irdctcpreceivo: receive in ip s4i951e4ooob6&325d90oo0130184l95lf40028bd0840006d06841841952048628if90m1530cb86b84195214fc77b39boo00oo00000i

27、rdctcp: skb.he£roapool: entry. irdctcp: skb.head.froikj>ool: endth* irdctcp: ether recv:entry83fa592000ob6132sd90000130183fa593o0028bd0840006d0684183fa59408628if90041530cb86birdctcp: ip.rcv:entryirdctcp: lp.local.deliver: entry1rdctcp: lp.local.deliver.fmish:entry irdctcp: ip.r«&疝 i

28、rdctcp: lp.lookup.route: look saddr: irdctcp: 1p.add.rout:ent ry. irdctcp: lplookup.route: look saddr:- irdctcp: ip_add.route:end.irdctcp: lplookuproute: look saddr:6图8接收数据截图图7启动tcp/ip i办议与tdi客尸截图图8接收数据截图6.详细设计代码(1)映射网络驱动器功能实现；实现代码如下：u pdatedata(false);dword nretval;netresource nr;nr.dwtype = resour

29、cetype_any;lptstr local =(lptstr)(lpctstr)m_strlocal;nr.lplocalname=t2w(local);lptstr tar =(lptstr)(lpctstr)m_strtar;nr.lprcmotcnamc = t2w(tar);nr.lpprovider = null;nretval = wnetaddconnection2(&nr, m_strpwd, m_struser, false);if(nretval = no.error) cstring strtext;strtext.format(cstringc，映射文件 &

30、#39;%sv 到网络驱动盘 '%s'成功 ”)， m_strtar,m strlocal);afxmessagebox(strtext);return;messagebox(cstring("映射网络驱动盘失败!")；void cmapdlg:onbnclickedbuttondismap()dword nretval;u pdatedata(true);nretval = wnetcancelconnection2(m_strlocal, connect_update_profile, false);if(nretval = no_error)cstri

31、ng strtext;strtext.format(cstring("断开网络驱动器映射'%s* 成功!h),m_strlocal);messagebox(strtext);return; messagebox(cstring("断开网络驱动器映射失败!");(2) 单个ip共享资源搜索实现。(3) 搜索所冇计算机的共享资源实现。实现代码如下：void ctmpl dlg:onbnclickedok() m_listctrlres.deleteallitems();if(m_operate=0)byte bip4;m_iptar.getaddress(bi

32、po,bip 1 ,bip2,bip )；cstring tar add;taradd.format(cstring(” d.%d.%d.%d”),bip0,bipl,bip2,bip3);search(taradd);else if(m_operate= 1)searchall();tchar* ctmpldlg:cstring2tchar(cstring& str) int ilen = str.getlength();tchar* szrs = new tcharlilenj;lstrcpy(szrs, str.getbuffer(ilen);str.releasebuffer(

33、);return szrs;void ctmpl dlg:onbnclickedradioall() getdlgitem(idcpaddress_tar)->enablewindow(0);m_operate= 1;void ctmpldig:onbnclickedradioper() getdlgitem(idcpaddress_tar)->enablewindow(l);m_operate=0;int ctmp 1 dlg:search(cstring tarip) tchar *tmp=cstring2tchar(tarip);pshare_info_1 bufptr,p;

34、net_api_status res;lptstr ipszserver = null;dword er=0,tr=0,resume=0, i;ipszserver = tmp;do / begin do res = netshareenum (ipszserver, 1, (lpbyte *) &bufptr, -1, &er, &tr, &resume); if(res = error.success ii res = error_more_data)p=bufptr;for(i=0;i<er;i+)cstring strnetname =p->

35、shi l_netname;cstring strremark =p->shil_remark;dword dwtype=p->sh订type;cstring strtype;if(dwtype=stype_disktree)strtype=cstring(" w 盘驱动 ”);else if(dwtype=stype_printq)strtype二cstring(”打印机序列”);)else if(dwtype=stype_dev!ce)strtype=cstring(n 通信设备“);else if(dwtype=stype_ipc)strtype=cstring(h

36、 进程间通信(ipc)”);else if(dwtype=stype_special)strtype=cstring(nw 殊共享”);else if(dwtype=stype_temporary)strtype=cstri ng("临时共享”)else strtype.format(cstring("%d"),dwtype); int ncount=m_listctrlres.getitemcount();m_listctrlres.lnsertitem(ncount,tarip,0);m_listctrlres.setitemtext(ncount, 1 ,s

37、trnetname);m_listctrlres.setitemtext(ncount,2,strremark);m_listctrlres.setitemtext(ncount,3,strtype);p+;net api b ufferfree( b ufptr);elseif(res!=error_success&&res! =error_more_d ata&&m_operate=0) messagebox(cstringc's有共享信息!“); while (res=error_more_data); / end doreturn 0;void

38、ctmp 1 dig:searchall(void) lpserver_info_101 pbuf = null;lpserverjnfo_101 ptmpbuf;dword dwlevel = 101;dword dwprefmaxlen = max_preferred_length;dword dwentriesread = 0;dword dwtotalentries = 0;dword dwservertype = sv_type_server;/ all serversdword dwresumehandle = 0;net_api_status nstatus;lptstr psz

39、servername = null;lptstr pszdomainname = null;dword i;wsadata wsadata;wsastartup(makeword(2,0), &wsadata);nstatus = netserverenum(pszservername,dwlevel,(lpbyte *) & pbuf,dwprefmaxlen,& dwentriesread,& dwtotalentries,dwservertype,pszdomainname,& dwresumehandle);讦(nstatus = nerr_su

40、ccess) ii (nstatus = error_more_data) if (ptmpbuf = pbuf) != null) for (i = 0; i < dwentriesread; i+) cstring hostname=ptmpbuf->svl()l_name; char szhostnamel 128= ao*;int hostlength=hostname.getlength(); for(int j=0;j<hostlength;j+)szhostnamej=hostnamej;hostent * ent = gethostbyname(szhostn

41、ame);if(ent=null)ptmpbuf+;continue;cstring strhostip;in_addr* inhostip=(in_addr *)ent->h_addr_listo;strhostip.format(cstring(h%d.%d.%d.%dn),inhostip->s_un.s_un_b.s_blinhostip->s_un.s_un_b.s_b2,inhostip->s_un.s_un_b.s_b3,inhostip->s_un.s_un_b.s_b4);search(strhostip);ptmpbuf+;if (pbuf !

42、= null)netapibufferfree(pbuf);wsacleanupo;(4) 将搜索结果保存为文本实现：将text文档保存在recordo text文档中，上图保存后的文档如下e$注样!pc$汪d$主林f$注科adm1k$鶯鱷ipc$ * ipc$1pc$ t print$ 打印机b类型，打印网络名印机发送至w弟0" 2807聶磊，ipcf 2注释，远献猊"°类型乎等亦幕6晒1111 *1111*

43、11 *6*11331313131317record.txt 记辱本心11i7$5o21m21m殊衣疔疾默編張t络络络络络 网网网网网名名名名名名名名名名冬名名-u u 二九s:二九 ppppppppppppp 机 pp持尊養辛忑 us匕、£、£、t、e、 云 f 4/ 克多 e oht rzfr- s c c c q

44、 opc管iplpip肠cr 聶共共共远共共 达灵认认，认认 戰，默默衮默注：实现代码如下：void ctmpi dlg:onbnclickedbutton2()/ todo:在此添加控件通知处理程序代码int ncount=m_listctrlres.getitemcount();cstring strlpadd;cstring strnetname;cstring strremark;cstring strtype;cfile file;file.open(cstring("record.txt"),cfile:modecreatelcfile:modewrite);for(int i=0;i&l