TCP交互流程

前言：在FPGA上实现TCP协议实际是一个不太好的计划，因为FPGA最擅长的是流水线处理方式，而TCP存在交互，导致FPGA需要进行反馈式的处理。但是由于项目新增的附加要求而又只能在FPGA上去实现TCP协议，才有了这篇总结。

关于在FPGA上实现TCP的具体过程在另外一篇随笔上进行详细介绍。

TCP报文格式：

源端口号（16bit）								目的端口号（16bit）
序列号（32bit）
确认序列号（32bit）
首部长度 （4bit）	保留（6bit）	URG	ACK	PSH	RST	SYN	FIN	窗口（16bit）
校验和（16bit）								紧急指针（16bit）
选项和填充
数据

ARP报文格式：

以太网目的地址（48bit）				以太网源地址（48bit）			帧类型 （16bit）
硬件类型（16bit）	协议类型（16bit）	硬件地址长度（8bit）	协议地址长度（8bit）	操作码（16bit）	发送者硬件地址（48bit）
发送者IP地址（32bit）		目标硬件地址（48bit）				目标IP地址（32bit）

TCP数据传输流程：

搭建的测试环境很简单，就是用一根网线将两台笔记本连接起来，其中一台电脑上模拟客户端，另一台电脑模拟服务端，用wireshark进行报文抓取。

测试地址如下：

交互端	MAC地址	IP地址	TCP端口号
服务器（Server）	a0:88:69:8f:2f:64	192.168.1.124	6920 (0x1b08)
客户（Client）	a0:88:b4:77:46:44	192.168.1.115	3005 (0x0bbd)

1. 地址解析（ARP）

（1）客户端向服务器发送一个寻址ARP包。

客户端发送ARP报文，寻找ip地址为192.168.1.115的主机的mac地址是多少。

（2）服务器收到ARP包后，向客户端发送一个带地址的ARP包。

服务端告诉客户端，我的mac地址是a0:88:69:8f:2f:64。

ARP结束（在TCP数据传输的后续过程中还会进行多次这样的ARP过程）。

2.TCP交互过程：

序列号	确认序列号
SeqNum	AckNum

2.1 建链（三次握手）

使用socket调试工具进行tcp调试。

     

STEP1：客户端向服务器发送一个数据包（SYN），请求建立连接。Flags=0x02

初始SeqNum（ISN）由客户端随机产生，AckNum为0。

[SYN]包：SeqNum=0x753bb0dd     AckNum=0x00000000

STEP2：服务器收到SYN请求数据包后，对客户端进行确认。Flags=0x12

初始SeqNum（ISN）由服务器随机产生，AckNum=客户端SeqNum + 1。

[SYN,ACK]包：SeqNum=0x98d82910     AckNum=0x753bb0de

STEP3：客户端收到确认包后，再对服务器进行确认。Flags=0x10

SeqNum=收到上一帧的AckNum，AckNum=收到上一帧的SeqNum + 1。

[ACK]包：SeqNum=0x753bb0de     AckNum=0x98d82911

2.2 数据传输（数据包+ACK包）

     

STEP1：发送数据：客户端向服务器发送一个带有数据的数据包。Flags=0x18

SeqNum=收到上一帧的AckNum，AckNum=收到上一帧的SeqNum。

STEP2：确认收到：服务器收到该数据包，向客户端发送一个确认包。Flags=0x10

SeqNum=收到上一帧的AckNum，AckNum=收到上一帧的SeqNum + payload字节长度。

（1）发送长度为10字节的数据

[PUSH,ACK]包：SeqNum=0x753bb0de  AckNum=0x98d82911

[ACK]包：SeqNum=0x98d82911     AckNum=0x753bb0e8

（2）发送长度为14字节的数据

[PUSH,ACK]包：SeqNum=0x753bb0e8  AckNum=0x98d82911

[ACK]包：SeqNum=0x98d82911     AckNum=0x753bb0f6

2.3 断链（四次挥手）

    

STEP1：客户端完成数据传输后，主动向服务器发送一个终止包（FIN）。Flags=0x11

SeqNum=收到上一帧的AckNum，AckNum=收到上一帧的SeqNum。

[FIN,ACK]包：SeqNum=0x753bb101      AckNum=0x98d82911

STEP2：服务器收到终止数据包后，向客户端发送确认包进行确认。Flags=0x10

SeqNum=收到上一帧的AckNum，AckNum=收到上一帧的SeqNum + 1。

[ACK]包：SeqNum=0x98d82911     AckNum=0x753bb102

STEP3：服务器完成数据传输后，向客户端发送一个终止包（FIN）。Flags=0x11

SeqNum=收到上一帧的AckNum，AckNum=收到上一帧的SeqNum。

[FIN,ACK]包：SeqNum=0x98d82911      AckNum=0x753bb102

STEP4：客户端收到终止数据包后，向服务器发送确认包进行确认。Flags=0x10

SeqNum=收到上一帧的AckNum，AckNum=收到上一帧的SeqNum + 1。

[ACK]包：SeqNum=0x753bb102     AckNum=0x98d82912

3.TCP重传机制

TCP重传目的是防止报文的丢失。在使用TCP进行数据传输时，启动重传计时器（retransmission timer），在收到ACK确认报文后，停止重传计时器。TCP重传过程中有两个重要的参数，往返时间（RTT）和重传超时（RTO）。RTT是指发送端口从报文发出直至收到ACK确认报文所花费的时间。通过对RTT的值多次测量求平均来确定RTO的值。在默认配置下，Windows系统最大的重传次数为5次，Linux系统最大的重传次数为15次。

4. 分片、分段

 4.1. 最大传输单元（MTU）

分片是针对IP协议存在的，IP报文的分片与重组是在网络层完成的。在以太网中，MTU=1500字节，对长度大于MTU的报文进行分片处理，分片后的IP报文不一定按序到达对端。

4.2. 最大分段大小（MSS）

分段是针对TCP协议存在的，TCP报文的分段与重组是在传输层完成的。MSS是指TCP报文每一次可以传输的最大数据段，TCP协议在三次握手建立连接的前两次握手中会协商双方的MSS值，MSS值的配置在TCP协议的选项字段中，TCP连接的双方会在握手中通过MSS值通知对方自己能够接收数据段的最大长度。

在一般情况下，MSS=MTU-IP首部长度-TCP首部长度=1500-20-20=1460字节。如果在三次握手的过程中不对MSS值进行配置，默认的MSS为536字节。

TCP的options字段：

5. 滑动窗口技术

由于FPGA资源有限，在FPGA中一般无法实滑动窗口机制。

在发送端将数据分为四类：在窗口之外的已经成功发送并且被确认的数据、在窗口内的已经发送但未被确认的数据、在窗口内的接收端允许发送但未发送的数据、在窗口之外的接收端不允许发送的数据。

在接收端将数据分为三类：已经接收并回复确认但未被上层应用接收的数据、已经接收但未回复确认的数据、等待接收的数据。

注：在使用TCP协议进行数据传输中，并不是对于每一个报文段都回复ACK包，而是有可能对两个甚至多个报文段只回复一个ACK包。