视频信息处理与传输实验3

实验三 TCP

一、实验目的

1、认识TCP 协议的相关内容；

2、掌握TCP 模块的C 语言编程； 二、实验内容

1、创建一个头文件，用C 语言实现TCP 模块所需的所有常量；

2、完成TCP 首部的说明；

最大报文段长度MSS(Maximum Segment Size)是TCP 报文段中的数据字段的最大长度。MSS 告诉对方TCP ：“我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是MSS 个字节。”

窗口扩大因子，用于长肥管道。

时间戳，可用于测量往返时延RTT 。

3、完成TCP 报文段的说明；

图1 TCP 报文结构

源端口和目的端口字段——各占2字节。端口是传输层与应用层的服务接口。传输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现。 序号字段——占4字节。TCP 连接中传送的数据流中的每一个字节都编上一个序号。序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。 确认号字段——占4字节，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。

数据偏移——占4bit ，它指出TCP 报文段的数据起始处距离 CP 报文段的起始处有多远。“数据偏移”的单位不是字节而是32bit 字（4字节为计算单位）。 保留字段——占6bit ，保留为今后使用，但目前应置为0。

紧急比特URG ——当URG ＝1时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)。

确认比特ACK ——只有当ACK ＝1时确认号字段才有效。当ACK ＝0时，确认号无效。

复位比特RST(Reset) —— 当RST ＝1时，表明TCP 连接中出现严重差错

URG 紧急数据 (一般不用) ACK 序号有效 立即提交数据 RST, SYN, FIN: 连接建立(建立和拆连)SYN ：是握手信号 FIN ：拆除连接

接收方允许 的字节数

对数据字节计数(并

非对报文段计数!)

（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。

同步比特SYN——同步比特SYN置为1，就表示这是一个连接请求或连接

接受报文。

终止比特FIN(FINal)——用来释放一个连接。当FIN＝1时，表明此报文段

的发送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。

窗口字段——占2字节。窗口字段用来控制对方发送的数据量，单位为字节。

TCP连接的一端根据设置的缓存空间大小确定自己的接收窗口大小，然后通知对

方以确定对方的发送窗口的上限。

检验和——占2字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。在

计算检验和时，要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部。

紧急指针字段——占16bit。紧急指针指出在本报文段中的紧急数据的最后

一个字节的序号。

选项字段——长度可变。TCP首部可以有多达40字节的可选信息，用于把

附加信息传递给终点，或用来对齐其它选项。

填充字段——这是为了使整个首部长度是4字节的整数倍。

4、用C语言写出TCP有限状态机的实现函数。

TCP从建立到终止整个过程中，存在11中状态，TCP的有限状态机给出了

TCP连接从一个状态转换到另一个状态的规则。

客户进程

服务器进程

非正常状体转换

图2 TCP有限状态机

三、实验过程

1、TCP头文件：

#ifndef _TCP_H

#define _TCP_H

#ifndef _GLOBAL_H

#include "global.h"

#endif

#ifndef _MBUF_H

#include "mbuf.h"

#endif

#ifndef _IFACE_H

#include "iface.h"

#endif

#ifndef _INTERNET_H

#include "internet.h"

#endif

#ifndef _IP_H

#include "ip.h"

#endif

#ifndef _NETUSER_H

#include "netuser.h"

#endif

#ifndef _TIMER_H

#include "timer.h"

#endif

#define DEF_MSS 512 /* Default maximum segment size */

#define DEF_WND 2048 /* Default receiver window */

#define RTTCACHE 16 /* # of TCP round-trip-time cache entries */ #define DEF_RTT 5000 /* Initial guess at round trip time (5 sec) */

#define MSL2 30 /* Guess at two maximum-segment lifetimes */ #define MIN_RTO 500L /* Minimum timeout, milliseconds */

#define TCP_HDR_PAD 70 /* mbuf size to preallocate for headers */

#define DEF_WSCALE 0 /* Our window scale option */

#define geniss() ((int32)msclock() << 12) /* Increment clock at 4 MB/sec */ /* Number of consecutive duplicate acks to trigger fast recovery */

#define TCPDUPACKS 3/* Round trip timing parameters */

#define AGAIN 8 /* Average RTT gain = 1/8 */

#define LAGAIN 3 /* Log2(AGAIN) */

#define DGAIN 4 /* Mean deviation gain = 1/4 */

#define LDGAIN 2 /* log2(DGAIN) */

#define TCPLEN 20 /* Minimum Header length, bytes */

#define TCP_MAXOPT 40 /* Largest option field, bytes */

2、TCP首部

struct TCP_header{

unsigned short SPortAddr

u_char ver_ihl; // 版本(4 bits) + 首部长度(4 bits) == 8

u_char tos; // 服务类型(Type of service)

u_short tlen; // 总长(Total length)

u_short identification; // 标识(Identification)

u_short flags_fo; // 标志位(3 bits) + 段偏移量(Fragment offset) (13 bits)

u_char ttl; // 存活时间(Time to live)

u_char proto; // 协议(Protocol)

u_short crc; // 首部校验和(Header checksum)

ip_address saddr; // 源地址(Source address)

ip_address daddr; // 目的地址(Destination address)

u_int op_pad; // 选项与填充(Option + Padding)

}ip_header;

3、TCP报文段

struct TCP_Segment{

struct TCP_Header tcpHeader;

uint16 source; /* Source port */

uint16 dest; /* Destination port */

int32 seq; /* Sequence number */

int32 ack; /* Acknowledgment number */

uint16 wnd; /* Receiver flow control window */

uint16 checksum; /* Checksum */

uint16 up; /* Urgent pointer */

uint16 mss; /* Optional max seg size */

uint8 wsopt; /* Optional window scale factor */

uint32 tsval; /* Outbound timestamp */

uint32 tsecr; /* Timestamp echo field */

struct {

unsigned int congest:1; /* Echoed IP congestion experienced bit */

unsigned int urg:1;

unsigned int ack:1;

unsigned int psh:1;

unsigned int rst:1;

unsigned int syn:1;

unsigned int fin:1;

unsigned int mss:1; /* MSS option present */

unsigned int wscale:1; /* Window scale option present */

unsigned int tstamp:1; /* Timestamp option present */ tcpData;

}

};

4、TCP有限状态机

#include "global.h"

#include "timer.h"

#include "mbuf.h"

#include "netuser.h"

#include "internet.h"

#include "tcp.h"

#include "ip.h"

void

tcp_output(tcb)

register struct tcb *tcb;

{

struct mbuf *dbp; /* Header and data buffer pointers */

struct tcp seg; /* Local working copy of header */

uint16 ssize; /* Size of current segment being sent,

* including SYN and FIN flags */

uint16 dsize; /* Size of segment less SYN and FIN */

int32 usable; /* Usable window */

int32 sent; /* Sequence count (incl SYN/FIN) already

* in the pipe but not yet acked */

int32 rto; /* Retransmit timeout setting */

if(tcb == NULL) return;

switch(tcb->state){

case TCP_LISTEN:

case TCP_CLOSED:

return; /* Don't send anything */

}

for(;;){

memset(&seg,0,sizeof(seg));

/* Compute data already in flight */

sent = tcb->snd.ptr - tcb->snd.una;

usable = min(tcb->snd.wnd,tcb->cwind);

if(usable > sent) usable -= sent; /* Most common case */

else if(usable == 0 && sent == 0) usable = 1; /* Closed window probe */

else usable = 0; /* Window closed or shrunken */

ssize = min(tcb->sndcnt - sent,usable);

ssize = min(ssize,tcb->mss);

if(!tcb->flags.force && sent != 0 && ssize < tcb->mss

&& !(tcb->state == TCP_FINWAIT1 && ssize == tcb->sndcnt-sent)){ ssize = 0;

}

if(!tcb->flags.synack && !Tcp_syndata){

if(tcb->snd.ptr == tcb->iss) ssize = min(1,ssize); /* Send only SYN */

else ssize = 0; /* Don't send anything */

}

if(tcb->flags.force && tcb->snd.ptr != tcb->snd.nxt) ssize = 0;

if(ssize == 0 && !tcb->flags.force)

break; /* No need to send anything */

tcb->flags.force = 0; /* Only one forced segment! */

seg.source = tcb->conn.local.port;

seg.dest = tcb->conn.remote.port;

seg.flags.ack = 1; /* Every state except TCP_SYN_SENT */

seg.flags.congest = tcb->flags.congest;

if(tcb->state == TCP_SYN_SENT)

seg.flags.ack = 0; /* Haven't seen anything yet */

dsize = ssize;

if(!tcb->flags.synack && tcb->snd.ptr == tcb->iss){/* Send SYN */ seg.flags.syn = 1;

dsize--; /* SYN isn't really in snd queue */

/* Also send MSS, wscale and tstamp (if OK) */

seg.mss = Tcp_mss;

seg.flags.mss = 1;

seg.wsopt = DEF_WSCALE;

seg.flags.wscale = 1;

if(Tcp_tstamps){

seg.flags.tstamp = 1;

seg.tsval = msclock();

}

}

if(ssize == 0) seg.seq = tcb->snd.nxt;

else seg.seq = tcb->snd.ptr;

tcb->last_ack_sent = seg.ack = tcb->rcv.nxt;

if(seg.flags.syn || !tcb->flags.ws_ok) seg.wnd = tcb->rcv.wnd; else seg.wnd = tcb->rcv.wnd >> tcb->rcv.wind_scale;

dbp = ambufw(TCP_HDR_PAD+dsize);

dbp->data += TCP_HDR_PAD; /* Allow room for other hdrs */

if(dsize != 0){

int32 offset;

offset = sent;

if(!tcb->flags.synack && sent != 0) offset--;

dbp->cnt = extract(tcb->sndq,(uint16)offset,dbp->data,dsize);

if(dbp->cnt != dsize){/* We ran past the end of the send queue;*/ seg.flags.fin = 1;

dsize--;

}

}

if(dsize != 0 && sent + ssize == tcb->sndcnt) seg.flags.psh = 1;

if(tcb->snd.ptr < tcb->snd.nxt)

tcb->resent += min(tcb->snd.nxt - tcb->snd.ptr,ssize);

tcb->snd.ptr += ssize;

if(seq_gt(tcb->snd.ptr,tcb->snd.nxt)) tcb->snd.nxt = tcb->snd.ptr; if(tcb->flags.ts_ok && seg.flags.ack){

seg.flags.tstamp = 1;

seg.tsval = msclock();

seg.tsecr = tcb->ts_recent;

}

/* Generate TCP header, compute checksum, and link in data */

htontcp(&seg,&dbp,tcb->conn.local.address,tcb->conn.remote.address)

if(ssize != 0){/* Set round trip timer. */

rto = backoff(tcb->backoff) * (4 * tcb->mdev + tcb->srtt);

set_timer(&tcb->timer,max(MIN_RTO,rto));

if(!run_timer(&tcb->timer))

start_timer(&tcb->timer);

/* If round trip timer isn't running, start it */

if(tcb->flags.ts_ok || !tcb->flags.rtt_run){

tcb->flags.rtt_run = 1;

tcb->rtt_time = msclock();

tcb->rttseq = tcb->snd.ptr;

tcb->rttack = tcb->snd.una;

}

}

if(tcb->flags.retran) tcpRetransSegs++;

else tcpOutSegs++;

ip_send(tcb->conn.local.address,tcb->conn.remote.address,

TCP_PTCL,tcb->tos,0,&dbp,len_p(dbp),0,0);

}

}

四、实验小结

通过本次实验，认识到自己对于理论知识学习的不足以，所以在以后的学习中继续努力。在查阅资料和信息的能力还需加强，努力做到快速查到资料并准确提取有用信息，提高自己的文献读取能力。本次实验的主要内容是学习TCP协议，认识其文件结构、模块。实验过程中对于TCP协议的内容了解不全面，对于它的程序编写不熟悉，很多知识点认识不够深入。

五、参考文献

[1]、TCP传输控制协议.

[2]、TCP/IP协议.协议

[3]、中国通信网.《TCP/IP技术大全》pdf电子书[D]. iver/tid-39642.html,2006.3

[4]、协议分析网.《TCP/IP基础》[J]. 14.html,2011.12

[5]、ITeye技术网.《TCP参数》[J].