TCP协议在物联网中实战

一、TCP协议介绍

网上对TCP协议介绍众多,本人按照自己的理解简单介绍一下。

TCP(Transmission Control Protocol, 传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输控制层通信协议。

1.1 协议机制

1.1.1 三次握手

(图片来自https://baijiahao.baidu.com/s?id=1790500638479044426\&wfr=spider\&for=pc,侵权删)

TCP三次握手的过程如下:

1.客户端发送SYN(seq=x)报文给服务器端,进入SYN_SENT状态。

2.服务器端收到SYN报文,回应一个SYN (seq=y)ACK(ack=x+1)报文,进入SYN_RECV状态。

3.客户端收到服务器端的SYN报文,回应一个ACK(ack=y+1)报文,进入Established状态。

1.1.2 四次挥手

(图片来自:https://cloud.tencent.com/developer/article/2094245)

第一次挥手: 主动关闭的一方(客户端或服务器)发送一个TCP段,其中包含一个FIN标记(Finish),表示它没有数据要发送给对方,但它仍能接收数据。
第二次挥手: 接收到FIN的一方发送一个ACK(Acknowledgement),确认收到FIN。
第三次挥手: 接收到FIN的一方发送一个FIN,表示它也没有数据要发送了,但它仍能接收数据。
第四次挥手: 主动关闭的一方发送一个ACK,确认收到FIN。

在经过2MSL(Maximum Segment Lifetime,最大报文存活时间)后,TCP连接正式结束

1.1.3 拥塞控制

推荐视频:https://www.bilibili.com/video/BV1L4411a7RN/?spm_id_from=333.999.0.0

(1)慢启动 :在连接刚建立时,发送方将初始拥塞窗口设置为一个较小的值(通常是一个报文段的大小)。然后,每当发送方收到一个确认应答时,拥塞窗口就会加倍(指数增长)。这样,发送方会逐渐增加发送的数据量,从而实现慢慢地探测网络的容量。一但出现丢包,就将拥塞窗口减半,进入拥塞避免阶段。

(2)拥塞避免 :一旦拥塞窗口达到一个阈值(通常是网络的带宽和延迟的函数),发送方将进入拥塞避免阶段。在拥塞避免阶段,发送方每收到一个确认应答时,拥塞窗口的增长将变慢(线性增长),谨慎地增加数据发送量,以防止过度拥塞网络。

(3)快速重传 :发送方连续收到3个重复的确认应答时,它会推断某个报文段丢失,并立即重传该报文段,而不等待超时重传的时间。这样可以更快地恢复丢失的报文段,提高传输效率。

(4)快速恢复:当发送方接收到重复确认应答时,它会将拥塞窗口减半,并进入快速恢复阶段。在快速恢复阶段,发送方每收到一个确认应答时,拥塞窗口的增长将变得更慢,并且不再执行慢启动算法,而是执行拥塞避免算法。

1.2 协议报文


1、端口号: 用来标识同一台计算机的不同的应用进程。

1)源端口:源端口和IP地址的作用是标识报文的返回地址。

2)目的端口:端口指明接收方计算机上的应用程序接口。

TCP报头中的源端口号和目的端口号同IP数据报中的源IP与目的IP唯一确定一条TCP连接。
2、序号和确认号: 是TCP可靠传输的关键部分。序号是本报文段发送的数据组的第一个字节的序号。在TCP传送的流中,每一个字节一个序号。e.g.一个报文段的序号为300,此报文段数据部分共有100字节,则下一个报文段的序号为400。所以序号确保了TCP传输的有序性。确认号,即ACK,指明下一个期待收到的字节序号,表明该序号之前的所有数据已经正确无误的收到。确认号只有当ACK标志为1时才有效。比如建立连接时,SYN报文的ACK标志位为0。
3、数据偏移/首部长度: 4bits。由于首部可能含有可选项内容,因此TCP报头的长度是不确定的,报头不包含任何任选字段则长度为20字节,4位首部长度字段所能表示的最大值为1111,转化为10进制为15,15*32/8 = 60,故报头最大长度为60字节。首部长度也叫数据偏移,是因为首部长度实际上指示了数据区在报文段中的起始偏移值。
4、保留: 为将来定义新的用途保留,现在一般置0。
5、控制位: URG ACK PSH RST SYN FIN,共6个,每一个标志位表示一个控制功能。

1)URG:紧急指针标志,为1时表示紧急指针有效,为0则忽略紧急指针。

2)ACK:确认序号标志,为1时表示确认号有效,为0表示报文中不含确认信息,忽略确认号字段。

3)PSH:push标志,为1表示是带有push标志的数据,指示接收方在接收到该报文段以后,应尽快将这个报文段交给应用程序,而不是在缓冲区排队。

4)RST:重置连接标志,用于重置由于主机崩溃或其他原因而出现错误的连接。或者用于拒绝非法的报文段和拒绝连接请求。

5)SYN:同步序号,用于建立连接过程,在连接请求中,SYN=1和ACK=0表示该数据段没有使用捎带的确认域,而连接应答捎带一个确认,即SYN=1和ACK=1。

6)FIN:finish标志,用于释放连接,为1时表示发送方已经没有数据发送了,即关闭本方数据流。
6、窗口: 滑动窗口大小,用来告知发送端接受端的缓存大小,以此控制发送端发送数据的速率,从而达到流量控制。窗口大小时一个16bit字段,因而窗口大小最大为65535。
7、校验和: 奇偶校验,此校验和是对整个的 TCP 报文段,包括 TCP 头部和 TCP 数据,以 16 位字进行计算所得。由发送端计算和存储,并由接收端进行验证。
8、紧急指针: 只有当 URG 标志置 1 时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量,和顺序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。 TCP 的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。
9、选项和填充: 最常见的可选字段是最长报文大小,又称为MSS(Maximum Segment Size),每个连接方通常都在通信的第一个报文段(为建立连接而设置SYN标志为1的那个段)中指明这个选项,它表示本端所能接受的最大报文段的长度。选项长度不一定是32位的整数倍,所以要加填充位,即在这个字段中加入额外的零,以保证TCP头是32的整数倍。
10、数据部分: TCP 报文段中的数据部分是可选的。在一个连接建立和一个连接终止时,双方交换的报文段仅有 TCP 首部。如果一方没有数据要发送,也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。在处理超时的许多情况中,也会发送不带任何数据的报文段。

(参考:https://cloud.tencent.com/developer/article/2054909)

二、物联网中实战

不同物联网平台对协议中所承载的业务内容均有自己的规范,本文基于中国电信AIoT物联网平台进行实战。

2.1 在物联网平台创建产品设备

具体操作流程可见平台操作手册

2.2 交互流程



2.3 报文格式


2.4 代码

见文章顶部

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