TCP/IP原理及實現(xiàn)

TCP/IP原理及實現(xiàn)

第二講TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)內(nèi)容綱要

概述相關(guān)基礎(chǔ)

TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Xinu

TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Unix總結(jié)內(nèi)容綱要

概述相關(guān)基礎(chǔ)

TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Xinu

TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Unix總結(jié)TCP/IP協(xié)議軟件的設(shè)計側(cè)重以下方面：1.確定協(xié)議實體的形式（過程/進(jìn)程）2.協(xié)議功能的實現(xiàn)流程3.協(xié)議實體之間的交互（調(diào)用、進(jìn)程間通信）2.1概述操作系統(tǒng)的基本功能包括存儲管理、文件管理、進(jìn)程管理和通信、中斷管理等。TCP/IP軟件作為系統(tǒng)軟件或組件嵌入在操作系統(tǒng)內(nèi)部，為用戶提供聯(lián)網(wǎng)的增值服務(wù)。TCP/IP軟件與操作系統(tǒng)2.1概述內(nèi)容綱要

概述

相關(guān)基礎(chǔ)

TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Xinu

TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Unix總結(jié)2.2相關(guān)基礎(chǔ)當(dāng)發(fā)生外部事件或者程序運行異常時，CPU暫時停止當(dāng)前程序的執(zhí)行轉(zhuǎn)而執(zhí)行處理新情況的程序和執(zhí)行過程。軟件中斷VS硬件中斷硬件中斷:中斷控制器軟件中斷：軟中斷指令中斷是什么？2.2相關(guān)基礎(chǔ)進(jìn)程是正在執(zhí)行的程序。進(jìn)程VS程序操作系統(tǒng)通過一個特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（PCB）來管理進(jìn)程相關(guān)的信息，包括：進(jìn)程狀態(tài)，程序計數(shù)器，堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)段，寄存器組，所有打開的文件句柄等。進(jìn)程是什么？2.2相關(guān)基礎(chǔ)intglobal=0;intmain(intarg){floatlocal;char*ptr;ptr=malloc(100);local=0;local+=10*5;…..….foo();…./*returnaddr*/….return0;}DynamicallyallocatedGlobalvariablesProgramcodeLocalvariablesReturnaddress進(jìn)程的內(nèi)存映像2.2相關(guān)基礎(chǔ)進(jìn)程最主要的特性是獨立性、并發(fā)性。進(jìn)程的并發(fā)性要求解決

進(jìn)程間互斥和通信的問題。進(jìn)程特性2.2相關(guān)基礎(chǔ)進(jìn)程的同步：基于系統(tǒng)功能的需要，兩個或多個進(jìn)程之間需要相互合作、協(xié)同工作。進(jìn)程的互斥：多個進(jìn)程因爭用臨界資源而互斥執(zhí)行。臨界資源指的是一段時間內(nèi)只允許一個進(jìn)程訪問的資源。進(jìn)程間的同步和互斥2.2相關(guān)基礎(chǔ)共享存儲器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)/存儲區(qū)消息傳遞直接VS間接管道通信共享文件常見的進(jìn)程間同步和互斥的方法2.2相關(guān)基礎(chǔ)Xinu系統(tǒng)提供了三種進(jìn)程間通信的機(jī)制：信號量 （semaphore）端口 （port）消息傳遞 （messagepasssing）2.2相關(guān)基礎(chǔ)信號量用于實現(xiàn)進(jìn)程之間的合作和互斥。分為兩種類型：binary（二進(jìn)制）和counting（計數(shù)）相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用

semid=screate(initcount);//創(chuàng)建信號量

wait(semid)//進(jìn)入臨界區(qū)（CS）前調(diào)用

signal(semid)//離開臨界區(qū)（CS）前調(diào)用

信號量typedef

struct{ unsignedintcount;

list_of_processesqueue;

}semaphore;wait(s):

if(s.count≥1)then

s.count--elseblock(s)whereblock(s)placestheprocessons.queueandinvokestheprocessscheduler.signal(s):ifs.queueisnon-emptythen

wakeup(s);else

s.count++;wherewakeup(s)removesaprocessfroms.queueandplacesitintothereadylist.2.2相關(guān)基礎(chǔ)二進(jìn)制信號量的實現(xiàn)2.2相關(guān)基礎(chǔ)

信號量使用的基本方法semid=screate(1); while(1){

wait(semid); CS;

signal(semid);}2.2相關(guān)基礎(chǔ)

信號量使用實例一：在一個盒子里，混裝了數(shù)量相等的黑白圍棋子。設(shè)計自動分揀系統(tǒng)把黑子、白子分開。設(shè)分揀系統(tǒng)有二個進(jìn)程P1和P2，其中P1揀白子；P2揀黑子。規(guī)定每個進(jìn)程每次揀一子；當(dāng)一個進(jìn)程在揀時，不允許另一個進(jìn)程去揀；當(dāng)一個進(jìn)程揀了一子時，必須讓另一個進(jìn)程去揀。。

2.2相關(guān)基礎(chǔ)

信號量使用實例一：偽代碼P1:

repeatwait(s1);

揀白子

signal(s2);untilfalse;

P2:

repeatwait(s2);

揀白子

signal(s1);untilfalse;

s1=screate(1);s2=screate(0);2.2相關(guān)基礎(chǔ)

信號量使用實例二：桌上有一只盤子，最多可以容納兩個水果，每次僅能放入或取出一個水果。爸爸向盤子中放蘋果(apple)，媽媽向盤子中放桔子(orange)，兩個兒子專等吃盤子中的桔子，兩個女兒專等吃盤子中的蘋果。

2.2相關(guān)基礎(chǔ)

信號量使用實例二：偽代碼father:

repeat

wait(s);

放蘋果

signal(s1);untilfalse;

mother:

repeat

wait(s);

放桔子

signal(s2);untilfalse;

s=screate(2);s1=screate(0);s2=screate(0);2.2相關(guān)基礎(chǔ)

信號量使用實例二：偽代碼（續(xù)）daughter:

repeatwait(s1);

取蘋果

signal(s);untilfalse;

son:

repeatwait(s2);

取桔子

signal(s);untilfalse;

2.2相關(guān)基礎(chǔ)計數(shù)信號量用于實現(xiàn)多進(jìn)程對隊列訪問的同步，可以解決經(jīng)典的生產(chǎn)-消費者問題。生產(chǎn)者進(jìn)程向隊列中加入數(shù)據(jù)；消費者進(jìn)程從隊列中提取數(shù)據(jù)；

在有限隊列長度的情況下,如何協(xié)調(diào)多進(jìn)程的生產(chǎn)和消費過程。 計數(shù)信號量2.2相關(guān)基礎(chǔ)假設(shè)B是能夠容納N個數(shù)據(jù)的隊列；s1是跟蹤隊列還剩多少空閑位置的信號量；s2是記錄隊列B中已存在多少數(shù)據(jù)項的信號量。s1和s2的定義如下：s1=screate(N);s2=screate(0);

利用計數(shù)信號量解決生產(chǎn)-消費者問題2.2相關(guān)基礎(chǔ)Producer:wait(s1); …//向隊列添加數(shù)據(jù)signal(s2);Consumer:wait(s2); …//從隊列提取數(shù)據(jù)signal(s1);利用計數(shù)信號量解決生產(chǎn)-消費者問題（續(xù)）2.2相關(guān)基礎(chǔ)端口實際封裝了利用計數(shù)信號量實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者進(jìn)程對隊列的同步訪問的過程。Xinu系統(tǒng)定義的端口相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用包括：1.portid=pcreate(psize);//創(chuàng)建端口，指定隊列大小2.psend(portid,message);//發(fā)送數(shù)據(jù)到指定端口3.message=preceive(portid);//從端口接收數(shù)據(jù)4.n=pcount(portid);//返回隊列中的數(shù)據(jù)數(shù)目端口機(jī)制2.2相關(guān)基礎(chǔ)消息傳遞允許進(jìn)程之間直接傳送消息，實現(xiàn)進(jìn)程之間的通信。Xinu系統(tǒng)定義的消息傳遞相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用包括：1.send(msg,pid);//發(fā)送消息2.message=receive();//等待消息到來3.message=recvclr();//清除隊列并接收4.message=recvtim(50);//等待消息到來，并制定最大的等待時間消息傳遞機(jī)制內(nèi)容綱要

概述相關(guān)基礎(chǔ)

TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Xinu

TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Unix總結(jié)2.3TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Xinu當(dāng)數(shù)據(jù)（幀）到達(dá)網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備（NIC）時，系統(tǒng)內(nèi)部形成硬中斷，CPU根據(jù)中斷控制器提供的中斷類型號找到相應(yīng)的中斷處理程序（網(wǎng)卡驅(qū)動），啟動網(wǎng)絡(luò)接口層的協(xié)議處理過程。Xinu系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口層軟件設(shè)計（以太網(wǎng)）

1.以太數(shù)據(jù)幀的解析處理

2.與上層協(xié)議軟件的交互接收數(shù)據(jù)時的協(xié)議處理流程2.3TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Xinu差錯檢測（硬件處理）殘幀檢測（硬件處理）協(xié)議解析（分用處理）

ARPRARPIP數(shù)據(jù)幀的處理2.3TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-XinuCPU調(diào)用網(wǎng)卡驅(qū)動將解析獲得的IP數(shù)據(jù)包置入接口隊列，并通過消息來通知IP協(xié)議軟件實體。接口隊列的設(shè)計：兩種思想

單接口隊列為每個網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)置單獨的隊列，存放到達(dá)對應(yīng)接口的所有數(shù)據(jù)包；

多接口隊列設(shè)置一個全局隊列，存放到達(dá)所有接口的數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)多個接口之間的共享使用。

Xinu系統(tǒng)采用單接口隊列。接口層與IP協(xié)議的交互2.3TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-XinuIP協(xié)議實現(xiàn)為一個獨立的進(jìn)程，不斷從多個接口隊列中提取IP數(shù)據(jù)包并進(jìn)行處理。IP協(xié)議軟件設(shè)計內(nèi)容：從接口隊列提取數(shù)據(jù)包的策略

空隊列情況下的處理協(xié)議解析的實現(xiàn)

與其他協(xié)議之間的交互（TCP、UDP、ICMP等）路由表的設(shè)計、路由操作接收數(shù)據(jù)時的協(xié)議處理流程-續(xù)2.3TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-XinuIP進(jìn)程與相鄰層協(xié)議的交互IP-接口共享隊列+消息IP-UDP

過程調(diào)用IP-TCP

進(jìn)程間通信（端口）2.3TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-XinuIP進(jìn)程與相鄰層協(xié)議的交互IP-接口共享隊列+消息IP-UDP

過程調(diào)用IP-TCP

進(jìn)程間通信（端口）2.3TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-XinuIP進(jìn)程與相鄰層協(xié)議的交互IP-接口共享隊列+消息IP-UDP

過程調(diào)用IP-TCP

進(jìn)程間通信（端口）2.3TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Xinu由于UDP協(xié)議很簡單，僅僅提供端口復(fù)用和差錯檢測的功能，所以，UDP協(xié)議實現(xiàn)為過程直接被IP進(jìn)程調(diào)用來處理到達(dá)的UDP數(shù)據(jù)包。UDP協(xié)議軟件設(shè)計內(nèi)容：協(xié)議的解析功能

與應(yīng)用層協(xié)議實體之間的交互

接收數(shù)據(jù)時的協(xié)議處理流程-續(xù)2.3TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-XinuTCP協(xié)議很復(fù)雜，包含許多控制功能，如差錯控制、流量控制、擁塞控制、連接管理等。Xinu系統(tǒng)中TCP協(xié)議軟件實現(xiàn)為三個獨立的進(jìn)程，分別是TCP輸入進(jìn)程、TCP輸出進(jìn)程和定時管理進(jìn)程。三個進(jìn)程協(xié)同工作，完成TCP協(xié)議的功能。其中，TCP輸入進(jìn)程負(fù)責(zé)TCP報文段的輸入處理過程。

接收數(shù)據(jù)時的協(xié)議處理流程-續(xù)2.3TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Xinu從指定端口中提取來自IP進(jìn)程的輸入TCP數(shù)據(jù)分段執(zhí)行輸入分段的報文解析任務(wù)。若接收窗口允許，接收無差錯的報文，存放到對應(yīng)的TCP輸入緩沖，等待應(yīng)用進(jìn)程提取。如必要，向TCP輸出進(jìn)程指示確認(rèn)消息。

TCP輸入進(jìn)程2.3TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Xinu應(yīng)用進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用訪問UDP的輸出過程，根據(jù)用戶提供數(shù)據(jù)和尋址信息封裝成UDP數(shù)據(jù)包，并通過端口交付給IP進(jìn)程。應(yīng)用進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用將等待發(fā)送的數(shù)據(jù)存放到對應(yīng)TCP連接的輸出緩沖中，后續(xù)的數(shù)據(jù)發(fā)送過程由TCP輸出進(jìn)程來執(zhí)行。發(fā)送數(shù)據(jù)時的協(xié)議處理流程2.3TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-XinuTCP的數(shù)據(jù)發(fā)送由TCP輸出進(jìn)程和定時管理進(jìn)程協(xié)同完成。TCP輸出進(jìn)程從相應(yīng)輸出緩沖中提取數(shù)據(jù)，結(jié)合連接的信息封裝TCP報文分段，交付給IP進(jìn)程，并創(chuàng)建定時事件。TCP定時管理進(jìn)程負(fù)責(zé)對所有的定時事件進(jìn)行管理，及時發(fā)現(xiàn)超時，并通知TCP輸出進(jìn)程執(zhí)行重傳。TCP數(shù)據(jù)發(fā)送過程2.3TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Xinu端口的作用？2.3TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-XinuIP軟件接收到來自上層的數(shù)據(jù)后，執(zhí)行：封裝IP分組選擇路由

交付網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送數(shù)據(jù)時的協(xié)議處理流程（續(xù)）2.3TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Xinu單接口輸出隊列每個網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)置一個獨立輸出隊列，存放來自IP進(jìn)程的等待從對應(yīng)接口輸出的數(shù)據(jù)包。接口輸出隊列滿怎么辦？2.3TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Xinu網(wǎng)絡(luò)接口層執(zhí)行輸出通過以下兩種途徑：當(dāng)接口硬件空閑時，IP協(xié)議軟件直接調(diào)用接口程序，執(zhí)行輸出處理；一旦本次輸出完成，接口硬件觸發(fā)輸出中斷，CPU執(zhí)行中斷處理，調(diào)用接口輸出程序，從接口輸出隊列中提取數(shù)據(jù)并發(fā)送。發(fā)送數(shù)據(jù)時的協(xié)議處理流程（續(xù)）2.3TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Xinu協(xié)議實體形式：

進(jìn)程+過程（包括中斷服務(wù)例程）協(xié)議間的交互：

進(jìn)程間通信（消息傳遞+端口+信號量）過程調(diào)用Xinu系統(tǒng)TCP/IP軟件設(shè)計思想總結(jié)內(nèi)容綱要

概述相關(guān)基礎(chǔ)

TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Xinu

TCP/IP軟件結(jié)構(gòu)-Unix總結(jié)2.4TCP/IP軟件結(jié)