作者 | 雨田

小編 | CACTUS

在智能汽車加速邁入數(shù)字化的今天，車載以太網(wǎng)早已不是簡單的 “數(shù)據(jù)通道”，而是像縱橫交錯的城市快速路網(wǎng)絡(luò)，日夜承載著自動駕駛的決策指令、智能座艙的影音交互數(shù)據(jù)、云端互聯(lián)的實時路況信息 —— 這些數(shù)據(jù)洪流如同高速行駛的車流，一旦出現(xiàn) “丟件”“堵車”，小則影響車機使用體驗，大則關(guān)乎自動駕駛的安全決策。而在這條 “信息高速公路” 上，有一位默默守護的 “衛(wèi)士”，始終確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)不丟失、不錯亂、準(zhǔn)時抵達目的地，它就是我們今天要聊的核心 ——TCP 協(xié)議。

TCP 協(xié)議概念

TCP協(xié)議（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）是車載以太網(wǎng)中的核心組件之一，主要運行于OSI模型的傳輸層。作為一種面向連接、可靠且基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，TCP憑借其多項關(guān)鍵機制包括三次握手、四次揮手、確認應(yīng)答、超時重傳、滑動窗口、擁塞控制以及保活機制等有效保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c穩(wěn)定性，確保數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中有序、無誤地傳輸。

TCP報文結(jié)構(gòu)

TCP協(xié)議報文也稱TCP報文段，是TCP通信的基本單元，一個TCP報文段由首部和數(shù)據(jù)兩部分組成，其中首部包含了必要的控制信息，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸和連接管理，下圖是TCP報文結(jié)構(gòu)，并對TCP首部進行了格式解析：

源端口號：占16 位，表示發(fā)送方的端口號，取值范圍0~65535；

目的端口號：占16位，表示接收方的端口號，取值范圍0~65535；

序列號：占32位，表示本報文段所發(fā)送的數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的序號，取值范圍0~2^32 – 1，當(dāng)序號增加到2^32-1后，下一個序號就又回到0；

確認號：占32位，表示期望收到對方下一個報文段的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的序號；

首部長度：占4位，表示TCP首部數(shù)據(jù)長度，以4字節(jié)為單位計數(shù)，最大長度為60字節(jié)；

標(biāo)志位：占6位，包括URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN 6個標(biāo)志位；

URG：占1位，緊急指針標(biāo)志，當(dāng)URG被設(shè)置1時，緊急指針字段有效；

ACK：占1位，確認標(biāo)志，當(dāng)ACK被設(shè)置1時，確認號字段才有效；

PSH：占1位，推送標(biāo)志，當(dāng)收到TCP報文段中的PSH值為1時應(yīng)盡快將數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用程序，不需要等到整個緩存都填滿后再向應(yīng)用層傳遞；

RST：占1位，重置連接標(biāo)志，當(dāng)RST被置1時表示連接錯誤或者連接被拒絕；

SYN：占1位，同步標(biāo)志，用于連接建立，當(dāng)SYN被置1時表示一個連接請求或連接接收報文；

FIN：占1位，結(jié)束標(biāo)志，用于關(guān)閉連接；

窗口大小：占16位，表示接收方希望一次接收多少字節(jié)；

檢驗和：占16位，用于校驗數(shù)據(jù)的完整性；

緊急指針：占16位，當(dāng)URG標(biāo)志置1時緊急指針才有效，緊急指針是一個正的偏移量，和序列號字段的值相加表示緊急數(shù)據(jù)最后一個字節(jié)的序號；

選項：可變長度，最大長度為40字節(jié)【計算方式 ：首部總長度-20字節(jié)固定長度】，由于TCP首部的偏移單位為4 字節(jié)，當(dāng)選項占用字節(jié)個數(shù)不是4字節(jié)的整數(shù)倍時，需要進行數(shù)據(jù)填充。

以下為Wireshark數(shù)據(jù)示例

TCP連接建立與終止

TCP協(xié)議是一種面向連接的協(xié)議，在進行數(shù)據(jù)傳輸之前，需通過三次握手建立連接，數(shù)據(jù)傳輸完成后，通過四次揮手斷開連接。

1.三次握手

1）第一次握手(SYN)：客戶端向服務(wù)端發(fā)送一個SYN報文，并且會隨機生成一個客戶端的序列號(seq)。

2）第二次握手(SYN-ACK)：服務(wù)端收到來自客戶端的SYN報文后也會生成一個隨機的序列號，同時也會計算出確認號(Ack)，并通過SYN-ACK 報文發(fā)送給客戶端，該確認號(Ack)也會告知客戶端下一次期望接收到報文序列號是多少。

3）第三次握手(ACK)：客戶端收到來自服務(wù)端的SYN-ACK 報文后，會發(fā)送一個ACK報文通知服務(wù)端，確認接收到了序列號并可以開始通信。

三次握手過程如圖所示，此過程確保了雙方都能確認對方的連接能力，從而建立起一個可靠的，雙向的通信通道。

2.四次揮手

1）第一次揮手(FIN)：客戶端發(fā)送一條FIN報文，通知數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，希望關(guān)閉連接。

2）第二次揮手(ACK)：服務(wù)端回復(fù)一條ACK報文，確認收到了客戶端FIN報文，ACK報文中的確認號是收到FIN報文的序列號加1，表示所有數(shù)據(jù)已被接收。

3）第三次揮手(FIN)：服務(wù)端發(fā)送完所有數(shù)據(jù)后，也會發(fā)送一條FIN報文給客戶端，通知數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，準(zhǔn)備關(guān)閉連接。

4）第四次揮手(ACK)：客戶端回復(fù)一條ACK報文，確認收到了服務(wù)端的FIN報文，至此，連接完全關(guān)閉。

如下圖所示，四次揮手機制確保了雙方都有機會發(fā)送完所有數(shù)據(jù)，并且相互確認了對方的終止請求，從而實現(xiàn)了TCP連接的優(yōu)雅關(guān)閉。

在揮手過程中涉及到幾種狀態(tài)，如下所示：

ESTABLISHED狀態(tài)：已建立連接的狀態(tài)，可正常收發(fā)數(shù)據(jù)；

FIN-WAIT-1狀態(tài)：客戶端向服務(wù)端發(fā)送FIN報文后進入FIN-WAIT-1狀態(tài)，此狀態(tài)下可以接收數(shù)據(jù)，禁止發(fā)送新數(shù)據(jù)；

FIN-WAIT-2狀態(tài)：客戶端接收到ACK 報文后進入FIN-WAIT-2狀態(tài)，此狀態(tài)可以接收數(shù)據(jù)，停止發(fā)送新數(shù)據(jù)；

CLOSE-WAIT狀態(tài)：服務(wù)端發(fā)送ACK 后進入CLOSE-WAIT狀態(tài)，此狀態(tài)可以發(fā)送數(shù)據(jù)，停止接收新數(shù)據(jù)；

TIME-WAIT 狀態(tài)：客戶端接收到來自服務(wù)端FIN報文并返回ACK后進TIME-WAIT 狀態(tài)，該狀態(tài)持續(xù)時間為2MSL(Maximum Segment Lifetime，最大報文段生存時間);

LAST-ACK 狀態(tài)：服務(wù)端發(fā)送FIN報文后進入此狀態(tài)等待客戶端發(fā)送ACK報文；

TCP的重要機制

1.確認應(yīng)答與超時重傳

TCP 通過確認應(yīng)答(ACK)實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，在建立TCP連接時會雙方都會產(chǎn)生一個屬于自己的序列號，當(dāng)服務(wù)端收到數(shù)據(jù)后會根據(jù)seq信息判斷是否所期望的數(shù)據(jù)序號，判斷沒問題后會響應(yīng)一條ACK 報文告知對方已發(fā)送成功。

如下圖所示：

數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)通道上傳輸常常會遇到突發(fā)情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)未發(fā)送到目的地，遇到這種情況TCP協(xié)議作為交通指揮官將會行使自己的超時重傳權(quán)力來處理突發(fā)狀況。如下兩種情景所示：

情景一：當(dāng)客戶端在一定時間內(nèi)沒有收到確認應(yīng)答，會認為自己數(shù)據(jù)已經(jīng)丟失并進行重傳。

如下圖所示：

情景二：服務(wù)端回復(fù)了確認應(yīng)答，但是服務(wù)端在一定時間內(nèi)并未收到，則客戶端也會進行重新發(fā)送。

如下圖所示：

由以上兩種情景可知，當(dāng)客戶端在一定時間內(nèi)未接收到應(yīng)答報文才會進行重傳，這個時間定義為超時重傳時間(RTO)，如果重傳后還未接收到應(yīng)答報文，則重傳時間為2*RTO，以此類推，每重傳一次RTO值會加倍，這種行為也稱為指針退避策略。

2.滑動窗口機制

通過TCP 的確認應(yīng)答和超時重傳機制可知，每發(fā)一個TCP報文段時都要等待對方的應(yīng)答報文，這樣的傳輸方式降低了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，為了解決這個問題，TCP協(xié)議又增加一個滑動窗口功能。簡單的講，在服務(wù)端的窗口大小范圍內(nèi)發(fā)送一個TCP報文段后不必要一直等待確認應(yīng)答，而是可以繼續(xù)發(fā)送。

假設(shè)需要發(fā)送1000字節(jié)數(shù)據(jù)，TCP最大報文段為100字節(jié)，服務(wù)端窗口大小為400字節(jié)，數(shù)據(jù)該如何進行傳輸呢？

如下圖所示：

服務(wù)端滑動窗口：當(dāng)收到TCP報文段數(shù)據(jù)總長度為400字節(jié)時，已占滿了整個窗口大小，此時無法再接收其他數(shù)據(jù)，需要確認接收后才可以釋放一定的緩存空間。

如下圖所示：

客戶端滑動窗口：

3．擁塞控制機制

通過滑動窗口、確認應(yīng)答、超時重傳等機制都體現(xiàn)了TCP協(xié)議傳輸?shù)目煽啃裕?dāng)網(wǎng)絡(luò)擁堵狀態(tài)下，由于客戶端接收不到確認應(yīng)答報文會在一定時間內(nèi)進行數(shù)據(jù)重傳，這樣反而加重了擁堵程度，而TCP的擁塞控制就是避免將過多的數(shù)據(jù)包被發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁堵和數(shù)據(jù)丟失，TCP擁塞控制算法包括以下四個主要部分：

（1)慢啟動

慢啟動為發(fā)送方的TCP增加了另一個窗口：擁塞窗口(congestion window)，記為cwnd，當(dāng)兩個主機建立TCP連接時，假定擁塞窗口被初始化為1個報文段(MSS)。發(fā)送方開始時發(fā)送一個報文段，然后等待ACK。當(dāng)收到該ACK時，擁塞窗口從1增加為2， 即可以發(fā)送兩個報文段。當(dāng)收到這兩個報文段的ACK時，擁塞窗口就增加為 4，這是一種指數(shù)增加的關(guān)系。

如下圖所示：

（2）擁塞避免

因慢啟動中擁塞窗口呈指數(shù)增長，當(dāng)達到一定值時會再次造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，為避免這種現(xiàn)象，將設(shè)置一個閾值，當(dāng)達到閾值后擁塞窗口將進行緩慢增長，這種方法稱為擁塞避免算法，而這個閾值稱為慢啟動閾值(slow start threshold)，記為ssthresh，擁塞避免算法需要維持兩個變量：一個擁塞窗口和一個慢 啟動閾值。

工作過程下圖所示：

在該圖中，設(shè)置ssthresh初始值為16個報文段，在時刻0發(fā)送了一個報文段，在時刻1收到它的ACK，此時cwnd 增長為2，接著發(fā)送了2個報文段，并假定在時刻2接收到它們的ACK，于是cwnd增加為4(對每個ACK增加一次)，這種指數(shù)增長方式一直進行到時刻3和4之間收到8個ACK后，cwnd等于ssthresh時才停止，從此刻起，cwnd以線性方式增長，在每個往返時間內(nèi)最多增加一個報文段，假設(shè)在時刻4和5之間出現(xiàn)了超時情況，則重新進入慢啟動，此時cwnd 為1，ssthresh值更新為cwnd/2。

（3）快速重傳

客戶端如果連續(xù)收到3個或者3個以上的重復(fù)ACK，此時會認為某一報文段丟失并立刻進行重傳而不需要等待超時重傳的時間，這種策略稱為快速重傳算法。

如下圖所示：

1）客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)Seq1，服務(wù)端接收到返回Ack2（希望下一個數(shù)據(jù)的Seq號信息2）；

2）客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)Seq2，因某種原因使其發(fā)送數(shù)據(jù)中斷無法到達；

3）客戶端繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)Seq3，因服務(wù)端未收到期望的Seq2的數(shù)據(jù)信息，繼續(xù)回復(fù)Ack2；

4）客戶端繼續(xù)發(fā)送Seq4，同理，服務(wù)端繼續(xù)回復(fù)Ack2；

5）當(dāng)客戶端接收到三次重復(fù)的Ack2信息后確認發(fā)送數(shù)據(jù)Seq2丟失，客戶端重新發(fā)送Seq2，服務(wù)端接收到Seq2數(shù)據(jù)后，回復(fù)Ack5告知客戶端Seq1-Seq4數(shù)據(jù)段全部接收成功，期望下一次接收的數(shù)據(jù)信息為Seq5；

（4）快速恢復(fù)

當(dāng)快速重傳之后，不經(jīng)過慢啟動過程而直接進入擁塞避免階段，這就是快速恢復(fù)算法，未經(jīng)過慢啟動的原因是因為接收方只有收到另一個報文段時才會產(chǎn)生重復(fù)的ACK，也說明了后續(xù)的報文段已經(jīng)成功發(fā)送到服務(wù)端的緩存中，并不需要減少網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)流，快速恢復(fù)算法過程如下所示：

1）當(dāng)收到第3個重復(fù)的ACK時，將ssthresh設(shè)置為當(dāng)前擁塞窗口的一半，并重傳丟失的報文段，設(shè)置cwnd為ssthresh +3個報文段；

2）每次收到另一個重復(fù)的ACK時，cwnd增加一個報文段大小

3）當(dāng)收到對丟失報文和其后若干報文段的累計確認后置cwnd=ssthresh，進入擁塞避免階段。

4.保活機制

?；顧C制(Keep-Alive) 是確保TCP連接處于活動狀態(tài)或者及時檢測并關(guān)閉空閑連接的一種方法。關(guān)于?；顧C制有以下幾個重要參數(shù)：

?；顣r間：處于非活動狀態(tài)的時間內(nèi)

保活時間間隔：兩個?；钐綔y報文的時間間隔

?；钐綔y數(shù)：探測報文的最大次數(shù)

描述：如果在保活時間內(nèi)連接處于非活動狀態(tài)，則TCP一端將會開啟保活機制向另一端發(fā)送保活探測報文，如果客戶端沒有收到響應(yīng)報文，則經(jīng)過?；顣r間間隔后會再次發(fā)送一條?；钐綔y報文，直到發(fā)送次數(shù)達到?；钐綔y數(shù)，此時將認為另一端不在線，并關(guān)閉TCP連接。?；钐綔y報文的報文段長度為0或者包含一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，序列號為對方主機最大應(yīng)答號減1

TCP在車載以太網(wǎng)中扮演關(guān)鍵角色，通過連接管理、確認應(yīng)答、超時重傳、擁塞控制等機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效、可靠傳輸，其實現(xiàn)遵循國際標(biāo)準(zhǔn)文檔（如RFC793），從而保證不同廠商提供的TCP實現(xiàn)具備良好的互通性與兼容性，為OTA、診斷、信息 娛樂等核心功能提供了堅實的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

與此同時，OPEN聯(lián)盟發(fā)布了相應(yīng)的測試規(guī)范，其中《OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specification Layer 3-7》明確列出了TCP協(xié)議的測試項目，包括標(biāo)志位測試、窗口測試、序列號測試等，為行業(yè)提供了統(tǒng)一的驗證依據(jù)。

北匯信息作為一家專注于汽車電子測試領(lǐng)域的企業(yè)，在車載以太網(wǎng)測試方面積累了豐富經(jīng)驗。我們可提供專業(yè)的培訓(xùn)、技術(shù)咨詢及完整的測試解決方案，協(xié)助汽車制造商與零部件供應(yīng)商確保車載以太網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性及安全性。如您需要具體的測試服務(wù)或希望了解更多信息，歡迎隨時聯(lián)系我們。

參考文獻：

【1】《TCP/IP詳解 卷1：協(xié)議》

【2】《車載以太網(wǎng)權(quán)威指南》

【3】《RFC 793文檔》