TCP協(xié)議
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-11-18
TCP協(xié)議的實例教程
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TCP 是互聯(lián)網(wǎng)核心協(xié)議之一，本文介紹它的基礎(chǔ)知識。
一、TCP協(xié)議的作用
互聯(lián)網(wǎng)由一整套協(xié)議構(gòu)成。TCP 只是其中的一層，有著自己的分工。
圖1：TCP 是以太網(wǎng)協(xié)議和 IP 協(xié)議的上層協(xié)議，也是應(yīng)用層協(xié)議的下層協(xié)議
最底層的以太網(wǎng)協(xié)議（Ethernet）規(guī)定了電子信號如何組成數(shù)據(jù)（packet），解決了子網(wǎng)內(nèi)部的點對點通信。（圖片說明：以太網(wǎng)協(xié)議解決了局域網(wǎng)的點對點通信。）
但是，以太網(wǎng)協(xié)議不能解決多個局域網(wǎng)如何互通，這由 IP 協(xié)議解決。
圖2：IP 協(xié)議可以連接多個局域網(wǎng)。IP 協(xié)議定義了一套自己的地址規(guī)則，稱為 IP 地址。它實現(xiàn)了路由功能，允許某個局域網(wǎng)的 A 主機，向另一個局域網(wǎng)的 B 主機發(fā)送消息
圖3：路由器就是基于 IP 協(xié)議。局域網(wǎng)之間要靠路由器連接
路由的原理很簡單。市場上所有的路由器，背后都有很多網(wǎng)口，要接入多根網(wǎng)線。
展開 該協(xié)議頭的各部分解釋如下圖：
圖9 IPV4 協(xié)議頭信息表
IPV6協(xié)議頭
圖10 IPV6 協(xié)議頭
需要注意的是IPv6 數(shù)據(jù)報文是 IPv4 的 4 倍，IPv6 數(shù)據(jù)報文主要由兩個部分組成：Header（首部）和 Payload（負載）。其中，IPv6 Header 的大小是 IPv4 的 2 倍。該協(xié)議頭的各部分解釋如下圖：
圖11 IPV6協(xié)議信息表
傳輸層
傳輸層的協(xié)議就是TCP/UDP，這兩者協(xié)議彼此獨立，也可以同時存在，看具體使用場景需求。TCP/UDP作為傳統(tǒng)以太網(wǎng)的標(biāo)準協(xié)議，在這里同樣不做過多展開，僅整體介紹下TCP與UDP的特點及區(qū)別。
TCP協(xié)議
TCP協(xié)議頭
圖12 TCP協(xié)議頭
如下圖13所示為TCP協(xié)議頭的字段解釋：
圖13 TCP協(xié)議頭信息表
TCP建立連接過程
TCP是面向連接的可靠的網(wǎng)絡(luò)通信，因此要通信雙方建立通信連接，必須經(jīng)過我們常說的“三次握手”才能夠開啟以太網(wǎng)通信，如下圖14所示為TCP的“三次握手”連接過程。
展開 TCP協(xié)議的功能：
對應(yīng)用層報文進行分段和重組；
面向應(yīng)用層實現(xiàn)復(fù)用與分解；
實現(xiàn)端到端的流量控制；
擁塞控制；
傳輸層尋址；
對收到的報文進行差錯檢測（首部和數(shù)據(jù)部分都檢錯）；
實現(xiàn)進程間的端到端可靠數(shù)據(jù)傳輸控制。
TCP協(xié)議的特點：
TCP是面向連接的協(xié)議；
TCP是面向字節(jié)流的協(xié)議；
TCP的一個連接有兩端，即點對點通信；
TCP提供可靠的傳輸服務(wù)；
TCP協(xié)議提供全雙工通信（每條TCP連接只能一對一）；
5.2.1 TCP報文段結(jié)構(gòu)：
最大報文段長度：報文段中封裝的應(yīng)用層數(shù)據(jù)的最大長度。
TCP首部：
序號字段：TCP的序號是對每個應(yīng)用層數(shù)據(jù)的每個字節(jié)進行編號；
確認序號字段：期望從對方接收數(shù)據(jù)的字節(jié)序號，即該序號對應(yīng)的字節(jié)尚未收到。用ack_seq標(biāo)識；
TCP段的首部長度最短是20B ，最長為60字節(jié)。
展開 OSI參考模型層次結(jié)構(gòu)，OSI參考模型自下而上分為七層：
TCP/IP協(xié)議棧概述
TCP/IP起源于60年代末美國政府資助的一個分組交換網(wǎng)絡(luò)研究項目，到90年代已發(fā)展成為計算機之間最常用的組網(wǎng)形式。TCP/IP是一個真正的開放系統(tǒng)，因為其協(xié)議簇的定義及其多種實現(xiàn)可以免費或花費很少就可以公開地得到。TCP/IP是“全球互聯(lián)網(wǎng)”或“因特網(wǎng)”Internet的基礎(chǔ)。
與OSI參考模型一樣，TCP/IP對等模型也分為不同的層次，每一層負責(zé)不同的通信功能。五層對等模型是OSI和TCP/IP模型的綜合。
TCP/IP協(xié)議棧
IP協(xié)議是盡力傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其提供的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)是不可靠的、無連接的。IP協(xié)議不關(guān)心數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，不能保證數(shù)據(jù)包是否成功到達目的地，也不關(guān)心任何關(guān)于前后數(shù)據(jù)包的狀態(tài)信息。面向連接的的可靠服務(wù)由上層的TCP協(xié)議實現(xiàn)。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP等數(shù)據(jù)都最終封裝在IP報文中傳輸。
物理層功能
物理層主要是：規(guī)定介質(zhì)類型、接口類型、信令類型 ；規(guī)范在終端系統(tǒng)之間激活、維護和關(guān)閉物理鏈路的電氣、機械、流程和功能等方面的要求；規(guī)范電平、數(shù)據(jù)速率、最大傳輸距離和物理接頭等特征；
同步串口可作為DCE 或者DTE，支持多種物理層協(xié)議：V.24/V.35/X.21 等協(xié)議，異步串口支持RS232 協(xié)議，最大速率為115.2kbit/s。G.703 E1/T1接口類型。
展開 （4）成本與標(biāo)準化優(yōu)勢
減少線束成本：單對非屏蔽雙絞線（如100BASE-T1）替代復(fù)雜線束，降低重量和成本；
產(chǎn)業(yè)鏈成熟：以太網(wǎng)技術(shù)已被IT行業(yè)驗證數(shù)十年，芯片、協(xié)議棧成熟，且支持DoIP（診斷 over IP）等標(biāo)準化協(xié)議，簡化開發(fā)；
（5）面向未來的擴展性
車云協(xié)同與V2X：支持5G/V2X集成，實現(xiàn)車-路-云實時通信，為智慧交通奠定基礎(chǔ)。
功能安全與信息安全：基于以太網(wǎng)的防火墻、加密（如MACsec）更易實現(xiàn)符合ISO 21434的網(wǎng)絡(luò)安全要求。
三、車載以太網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)
車載以太網(wǎng)(Automotive Ethernet)基本遵循OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型，但在某些層面上進行了優(yōu)化和簡化，以適應(yīng)汽車電子系統(tǒng)的需求。
1、車載以太網(wǎng)與常規(guī)以太網(wǎng)的主要區(qū)別
網(wǎng)絡(luò)模型層級之間的區(qū)別：
（1）傳輸層
常規(guī)以太網(wǎng)的傳輸層會根據(jù)具體場景選擇UDP或者TCP協(xié)議，在需要面向連接、高可靠性場景中選擇TCP協(xié)議，在對實時性更高，需要高速傳輸?shù)膱鼍跋逻x擇無邊車接的UDP協(xié)議，車載以太網(wǎng)中也會根據(jù)具體場景選擇對應(yīng)傳輸層協(xié)議，大部分場景中使用實時性更高的UDP協(xié)議。
（2）網(wǎng)絡(luò)層
車載以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層使用標(biāo)準的IPv4/IPv6，同時配合DoIP和SOME/IP進行診斷和ECU之間的高效通信。
a. 普通數(shù)據(jù)通信→IPv4/IPv6；
b. 車載診斷&遠程升級→DolP (Diagnostics over IP)；
c. ECU之間的服務(wù)通信→SOME/IP。
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TCP協(xié)議的最新內(nèi)容
Modbus Poll用于測試和調(diào)試Modbus從設(shè)備，該軟件支持ModbusRTU、ASCII、TCP/IP協(xié)議，可以讀取和寫入多種類型的寄存器，包括離散輸入、線圈、輸入寄存器和保持寄存器。它支持多種數(shù)據(jù)類型，比如浮點、雙精度、長整型，并支持Excel導(dǎo)出。
本課程從 UNIX 網(wǎng)絡(luò)命令和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識開始，逐漸學(xué)習(xí) TCP/IP 協(xié)議概念、IP 尋址和子網(wǎng)劃分技術(shù)。學(xué)生將學(xué)習(xí)套接字編程的原理，包括不同類型的套接字、套接字尋址以及基本的系統(tǒng)調(diào)用，如 fork（）、exec（） 和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換函數(shù)。通過動手編碼練習(xí)，學(xué)習(xí)者將獲得開發(fā)基于 TCP 和 UDP 的客戶端-服務(wù)器應(yīng)用程序的實踐經(jīng)驗。
1、車載以太網(wǎng)與常規(guī)以太網(wǎng)的主要區(qū)別
網(wǎng)絡(luò)模型層級之間的區(qū)別：
（1）傳輸層
常規(guī)以太網(wǎng)的傳輸層會根據(jù)具體場景選擇UDP或者TCP協(xié)議，在需要面向連接、高可靠性場景中選擇TCP協(xié)議，在對實時性更高，需要高速傳輸?shù)膱鼍跋逻x擇無邊車接的UDP協(xié)議，車載以太網(wǎng)中也會根據(jù)具體場景選擇對應(yīng)傳輸層協(xié)議，大部分場景中使用實時性更高的UDP協(xié)議。
最后，需要對通訊的行為進行定義，將定義通訊使用的TCP/UDP 協(xié)議及端口號，和通訊所在VLAN的關(guān)聯(lián)。
針對于復(fù)雜的服務(wù)實例生成，System Weaver將提供自動化部署功能。
模型總線軟件Modelbus
模型總線（Model Bus）是一款完全自主研發(fā)、支撐跨學(xué)科、跨領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)模型集成仿真的通用工具，以TCP/IP通信協(xié)議和FMI協(xié)議為基礎(chǔ)，通過C/S架構(gòu)實現(xiàn)了多客戶端系統(tǒng)仿真軟件分布式集成，適用于大規(guī)模復(fù)雜異構(gòu)系統(tǒng)的多仿真工具統(tǒng)一調(diào)度與并行求解。有效地解決了不同仿真工具（含商業(yè)和自研）之間的連接接口問題，操作便捷，能顯著提高仿真效率。
/IP通信協(xié)議和FMI協(xié)議為基礎(chǔ)，通過C/S架構(gòu)實現(xiàn)了多客戶端系統(tǒng)仿真軟件分布式集成，適用于大規(guī)模復(fù)雜異構(gòu)系統(tǒng)的多仿真工具統(tǒng)一調(diào)度與并行求解。
嵌入式wifi模塊采用UART接口，內(nèi)置IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。支持串口透明數(shù)據(jù)傳輸模式，可以使傳統(tǒng)的串口設(shè)備可輕松接入無線網(wǎng)絡(luò)。
內(nèi)置高精度雙天線GNSS板卡，4G全網(wǎng)通模塊、藍牙模塊，支持NTRIP CLIENT 協(xié)議、TCP/IP協(xié)議,支持JT808協(xié)議，支持千尋云蹤實時地圖顯示軌跡與位置，定位精度水平約1CM，高程精度約2CM。 支持聯(lián)通、移動、電信4G向下兼容3G、2G。
在系統(tǒng)配置時，將各系統(tǒng)集成到統(tǒng)一的局域網(wǎng)平臺上(10M/100M EtherNet)，通過統(tǒng)一的傳輸協(xié)議(TCP/IP)，統(tǒng)一的操作環(huán)境(Windows)，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理(SQL Server)管理。
本項目集成子系統(tǒng)如下:
1.4.1 樓宇自控系統(tǒng)
樓宇自控系統(tǒng)提供OPC/BACnet/Modbus接口給智能化集成系統(tǒng)，完成對建筑設(shè)備的集中控制和管理。
如圖3所示：
圖3 參數(shù)設(shè)置
注意事項：如果采用TCP/IP協(xié)議通訊方式，必須啟動“正在使用IP協(xié)議”，將組態(tài)好的硬件下載到CPU，則PLC設(shè)置完成了！
4. 設(shè)置安裝WINN（通常為工程師站ES和操作員站OS）計算機Windows操作系統(tǒng)的TCP/IP參數(shù)，將WINN組態(tài)計算機的IP地址設(shè)置成為與PLC以太網(wǎng)通訊模塊或者PN接口地址保持在一個網(wǎng)段內(nèi)。
