车载以太网网络测试-17【传输层-TCP】

发布于：2025-03-20 ⋅ 阅读:(23) ⋅ 点赞:(0)

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1 摘要

上一专题介绍了车载以太网传输层的UDP协议，本文主要对车载以太网传输层的TCP协议进行详细介绍。上一专题文章如下：
车载以太网网络测试-16【传输层-UDP】

2 TCP协议概述

车载以太网（Automotive Ethernet）是一种专为汽车设计的网络通信技术，而TCP（Transmission Control Protocol）是车载以太网中常用的传输层协议之一。
1.TCP协议的作用

  • 可靠的数据传输
    TCP是一种面向连接的协议，确保数据在发送端和接收端之间可靠传输。它通过确认机制、重传机制和错误检测来保证数据的完整性和顺序。

  • 流量控制
    TCP通过滑动窗口机制实现流量控制，防止发送方发送数据过快导致接收方缓冲区溢出，从而优化网络资源的利用。

  • 拥塞控制
    TCP能够检测网络拥塞并动态调整数据传输速率，避免网络过载，确保网络稳定性和高效性。

  • 支持多应用通信
    TCP通过端口号标识不同的应用程序，支持车载系统中多个应用同时进行通信（如ADAS、信息娱乐系统、诊断系统等）。

  • 数据分段与重组
    TCP将大数据包分段传输，并在接收端重新组装，适应不同网络环境的需求。

  1. TCP协议的优势

  • 高可靠性
    TCP的确认机制和重传机制确保了数据在车载网络中的可靠传输，特别适合对安全性要求高的汽车应用（如自动驾驶、高级驾驶辅助系统等）。

  • 广泛兼容性
    TCP是互联网和工业网络中最常用的协议之一，具有广泛的兼容性和成熟的生态系统，便于车载系统与其他网络设备（如云端服务器、移动设备等）进行通信。

  • 适应性强
    TCP能够适应不同的网络条件和拓扑结构，适合车载以太网中复杂多变的通信环境。

  • 简化开发
    TCP协议的标准化和成熟性降低了车载网络系统的开发难度，开发者可以专注于应用层逻辑，而不需要过多关注底层通信细节。

  • 支持大数据传输
    TCP适合传输大容量数据（如高清视频、传感器数据等），满足车载系统中日益增长的数据传输需求。

3.TCP协议的局限性
尽管TCP在车载以太网中有诸多优势，但也存在一些局限性：

  • 实时性不足
    TCP的确认机制和重传机制可能导致延迟，不适合对实时性要求极高的应用（如实时控制信号传输）。
  • 开销较大
    TCP的头部信息和确认机制增加了额外的网络开销，可能影响带宽利用率。
  • 不适合广播/组播
    TCP是点对点通信协议，不支持广播或组播，限制了其在某些场景中的应用。

TCP协议在车载以太网中主要用于需要高可靠性和数据完整性的应用场景（如ADAS、诊断系统等）。然而，对于实时性要求高的场景（如实时控制信号传输），通常会采用UDP或其他实时通信协议。车载以太网的设计需要根据具体应用需求选择合适的协议，以实现最佳的性能和可靠性。

3 TCP协议的帧结构

TCP协议的帧结构通常包括以下几个部分：

  1. 以太网帧头（Ethernet Header）：

    • 目的MAC地址（Destination MAC Address）：6字节，指定数据帧的目标设备的MAC地址。
    • 源MAC地址（Source MAC Address）：6字节，指定数据帧的源设备的MAC地址。
    • 以太网类型（EtherType）：2字节，指定上层协议类型，对于TCP/IP协议栈，通常为0x0800（IPv4）或0x86DD（IPv6）。

  2. IP头（IP Header）：

    • 版本（Version）：4位，指定IP协议的版本，IPv4为4，IPv6为6。
    • 头部长度（Header Length）：4位，指定IP头部的长度，以32位字为单位。
    • 服务类型（Type of Service, ToS）：8位，指定服务质量（QoS）参数。
    • 总长度（Total Length）：16位，指定整个IP数据报的长度，包括头部和数据。
    • 标识（Identification）：16位，用于标识数据报，用于分片和重组。
    • 标志（Flags）：3位，用于控制分片。
    • 片偏移（Fragment Offset）：13位，指定分片在原始数据报中的位置。
    • 生存时间（Time to Live, TTL）：8位，指定数据报在网络中的最大生存时间。
    • 协议（Protocol）：8位，指定上层协议类型，TCP为6。
    • 头部校验和（Header Checksum）：16位，用于验证IP头部的完整性。
    • 源IP地址（Source IP Address）：32位（IPv4）或128位（IPv6），指定数据报的源IP地址。
    • 目的IP地址（Destination IP Address）：32位（IPv4）或128位（IPv6），指定数据报的目的IP地址。

  3. TCP头（TCP Header）：

    • 源端口（Source Port）：16位，指定源端口号。
    • 目的端口（Destination Port）：16位，指定目的端口号。
    • 序列号（Sequence Number）：32位，指定当前数据段的序列号。
    • 确认号（Acknowledgment Number）：32位，指定期望接收的下一个数据段的序列号。
    • 数据偏移（Data Offset）：4位，指定TCP头部的长度，以32位字为单位。
    • 保留（Reserved）：3位，保留字段，通常为0。
    • 标志（Flags）：9位，包括URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等标志位。
    • 窗口大小（Window Size）：16位，指定接收窗口的大小。
    • 校验和（Checksum）：16位，用于验证TCP头部和数据的完整性。
    • 紧急指针（Urgent Pointer）：16位，指定紧急数据的位置。

  4. 数据（Data）：

    • 应用层数据（Application Data）：可变长度，包含实际的应用层数据。

实例示例：

假设我们有一个车载以太网TCP数据包，其内容如下：

  • 以太网帧头：

    • 目的MAC地址：00:1A:2B:3C:4D:5E
    • 源MAC地址：00:1A:2B:3C:4D:5F
    • 以太网类型：0x0800（IPv4）

  • IP头：

    • 版本：4
    • 头部长度：5（20字节）
    • 服务类型：0x00
    • 总长度：60
    • 标识：0x1234
    • 标志：0x02（DF）
    • 片偏移：0
    • 生存时间：64
    • 协议：6（TCP）
    • 头部校验和：0xABCD
    • 源IP地址：192.168.1.1
    • 目的IP地址：192.168.1.2

  • TCP头：

    • 源端口：5000
    • 目的端口：8080
    • 序列号：0x12345678
    • 确认号：0x87654321
    • 数据偏移：5（20字节）
    • 标志：0x18（ACK, PSH）
    • 窗口大小：8192
    • 校验和：0xEF12
    • 紧急指针：0

  • 数据：

    • 应用层数据：Hello, Automotive Ethernet!

数据包示例：

以太网帧头：
  目的MAC地址：00:1A:2B:3C:4D:5E
  源MAC地址：00:1A:2B:3C:4D:5F
  以太网类型：0x0800

IP头：
  版本：4
  头部长度：5
  服务类型：0x00
  总长度：60
  标识：0x1234
  标志：0x02
  片偏移：0
  生存时间：64
  协议：6
  头部校验和：0xABCD
  源IP地址：192.168.1.1
  目的IP地址：192.168.1.2

TCP头：
  源端口：5000
  目的端口：8080
  序列号：0x12345678
  确认号：0x87654321
  数据偏移：5
  标志：0x18
  窗口大小：8192
  校验和：0xEF12
  紧急指针：0

数据：
  Hello, Automotive Ethernet!

这个示例展示了一个简单的车载以太网TCP数据包的结构和内容。实际的车载以太网通信可能会涉及更复杂的协议栈和数据处理流程。

车载以太网（Automotive Ethernet）是一种专门为汽车应用设计的以太网技术，它使用TCP/IP协议栈进行通信。TCP（Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。下面将详细介绍车载以太网中TCP协议的通信过程，并提供一个简单的实例示例。

4 TCP协议通信过程

4.1 建立连接（三次握手）

TCP通信开始前，客户端和服务器之间需要建立一个连接，这个过程称为“三次握手”：

  1. SYN：客户端向服务器发送一个SYN（同步）报文，请求建立连接。
  2. SYN-ACK：服务器收到SYN报文后，向客户端发送一个SYN-ACK（同步-确认）报文，表示同意建立连接。
  3. ACK：客户端收到SYN-ACK报文后，向服务器发送一个ACK（确认）报文，表示连接已建立。
Client                           Server
  |                                |
  |        SYN (seq=x)             |
  |------------------------------->|
  |                                |
  |        SYN-ACK (seq=y, ack=x+1)|
  |<-------------------------------|
  |                                |
  |        ACK (seq=x+1, ack=y+1)  |
  |------------------------------->|
  |                                |

解释：

  • SYN (seq=x): 客户端发送一个SYN报文，其中seq=x表示客户端的初始序列号。
  • SYN-ACK (seq=y, ack=x+1): 服务器响应一个SYN-ACK报文，其中seq=y表示服务器的初始序列号，ack=x+1表示服务器确认收到客户端的SYN报文。
  • ACK (seq=x+1, ack=y+1): 客户端发送一个ACK报文，其中seq=x+1表示客户端的下一个序列号，ack=y+1表示客户端确认收到服务器的SYN-ACK报文。

场景化举例：
为了帮助你更好地理解车载以太网 TCP 协议中的三次握手和四次挥手，我将用日常生活中打电话的场景来进行类比，并辅以流程图进行演示。

场景： 你（客户端）想给朋友（服务器）打电话。

流程：

  1. SYN： 你拿起电话，拨通朋友的号码，说“喂，你好，我是小明”。（客户端发送 SYN 报文，请求建立连接）
  2. SYN-ACK： 朋友听到你的声音，回应“你好，小明，我是小红”。（服务器收到 SYN 报文，发送 SYN-ACK 报文，表示同意建立连接）
  3. ACK： 你听到朋友的回应，说“好的，那我们开始聊天吧”。（客户端收到 SYN-ACK 报文，发送 ACK 报文，确认连接建立）

流程图：
在这里插入图片描述

4.2 数据传输

连接建立后，客户端和服务器可以开始双向数据传输。数据被分割成TCP段（segments），每个段包含序列号和确认号，以确保数据的可靠传输。

4.3 关闭连接（四次挥手）

当通信结束时，客户端和服务器需要关闭连接，这个过程称为“四次挥手”：

  1. FIN：客户端向服务器发送一个FIN（结束）报文，表示客户端没有数据要发送了。
  2. ACK：服务器收到FIN报文后，向客户端发送一个ACK报文，表示确认收到FIN报文。
  3. FIN：服务器向客户端发送一个FIN报文，表示服务器也没有数据要发送了。
  4. ACK：客户端收到FIN报文后，向服务器发送一个ACK报文，表示确认收到FIN报文，连接关闭。
Client                           Server
  |                                |
  |        FIN (seq=u)             |
  |------------------------------->|
  |                                |
  |        ACK (seq=v, ack=u+1)    |
  |<-------------------------------|
  |                                |
  |        FIN (seq=w, ack=u+1)    |
  |<-------------------------------|
  |                                |
  |        ACK (seq=u+1, ack=w+1)  |
  |------------------------------->|
  |                                |

解释：

  • FIN (seq=u): 客户端发送一个FIN报文，其中seq=u表示客户端的最后一个序列号，表示客户端希望关闭连接。
  • ACK (seq=v, ack=u+1): 服务器响应一个ACK报文，其中seq=v表示服务器的当前序列号，ack=u+1表示服务器确认收到客户端的FIN报文。
  • FIN (seq=w, ack=u+1): 服务器发送一个FIN报文，其中seq=w表示服务器的最后一个序列号，表示服务器也希望关闭连接。
  • ACK (seq=u+1, ack=w+1): 客户端发送一个ACK报文，其中seq=u+1表示客户端的下一个序列号，ack=w+1表示客户端确认收到服务器的FIN报文。
    四次挥手：断开连接

场景化举例：
场景： 你和朋友聊完天，准备挂断电话。

流程：

  1. FIN： 你说“小红，今天就聊到这里吧，我先挂了”。（客户端发送 FIN 报文，请求断开连接）
  2. ACK： 朋友回应“好的，小明，再见”。（服务器收到 FIN 报文，发送 ACK 报文，确认收到断开请求）
  3. FIN： 朋友说“小明，我也挂了，再见”。（服务器发送 FIN 报文，请求断开连接）
  4. ACK： 你回应“好的，小红，再见”。（客户端收到 FIN 报文，发送 ACK 报文，确认断开连接）

流程图：
在这里插入图片描述

总结：

  • 三次握手就像打电话时的问候语，确保双方都准备好进行通话。
  • 四次挥手就像挂电话时的告别语，确保双方都同意结束通话。
  • TCP 协议通过这种机制，保证了数据传输的可靠性和有序性。

希望这个通俗易懂的解释能帮助你更好地理解车载以太网 TCP 协议的三次握手和四次挥手！

4.4 实例示例

假设我们有一个车载以太网系统，其中有一个ECU（Electronic Control Unit）作为TCP服务器，另一个ECU作为TCP客户端。客户端需要从服务器获取车辆状态信息。

服务器端代码（Python示例）

import socket

def start_server():
    server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    server_socket.bind(('192.168.1.1', 8080))  # 绑定IP和端口
    server_socket.listen(1)  # 监听连接
    print("服务器已启动，等待连接...")

    while True:
        client_socket, client_address = server_socket.accept()
        print(f"连接来自: {client_address}")
        client_socket.send(b"Vehicle Status: OK")  # 发送车辆状态信息
        client_socket.close()

if __name__ == "__main__":
    start_server()

客户端代码（Python示例）

import socket

def start_client():
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    client_socket.connect(('192.168.1.1', 8080))  # 连接服务器
    data = client_socket.recv(1024)  # 接收数据
    print(f"收到数据: {data.decode()}")
    client_socket.close()

if __name__ == "__main__":
    start_client()

运行示例

  1. 首先运行服务器端代码，服务器会启动并等待客户端连接。
  2. 然后运行客户端代码，客户端会连接到服务器并接收车辆状态信息。
  3. 客户端接收到数据后，打印出“Vehicle Status: OK”，然后关闭连接。

5 疑问

5.1 为什么需要三次握手？

三次握手是TCP建立连接的过程，目的是确保通信双方能够正常收发数据，并同步初始序列号（Sequence Number）。具体步骤如下：

  1. 客户端发送SYN：客户端向服务器发送一个SYN（同步）报文，表示请求建立连接，并携带初始序列号。
  2. 服务器回复SYN-ACK：服务器收到SYN后，回复一个SYN-ACK（同步-确认）报文，表示同意建立连接，并携带自己的初始序列号和对客户端序列号的确认。
  3. 客户端发送ACK：客户端收到SYN-ACK后，发送一个ACK（确认）报文，表示连接已建立。

原因：

  • 确保双向通信：三次握手确保客户端和服务器都能正常发送和接收数据。
  • 防止重复连接：通过交换初始序列号，可以避免历史连接的重复建立。
  • 同步序列号：序列号是TCP可靠传输的基础，三次握手确保双方对初始序列号达成一致。

在车载以太网中，三次握手尤为重要，因为车辆内部网络环境复杂，可能存在干扰或延迟，三次握手可以确保ECU之间的连接稳定可靠。

5.2 为什么需要四次挥手？

四次挥手是TCP断开连接的过程，目的是确保双方都能正常关闭连接，并释放资源。具体步骤如下：

  1. 客户端发送FIN：客户端发送FIN（结束）报文，表示请求关闭连接。
  2. 服务器回复ACK：服务器收到FIN后，回复一个ACK报文，表示确认关闭请求。
  3. 服务器发送FIN：服务器在完成数据发送后，发送自己的FIN报文，表示准备关闭连接。
  4. 客户端回复ACK：客户端收到FIN后，回复一个ACK报文，表示连接已关闭。

原因：

  • 确保数据完整性：四次挥手允许服务器在收到关闭请求后，继续发送未完成的数据。
  • 防止资源泄漏：通过双方确认关闭，确保连接资源被正确释放。
  • 处理半关闭状态：TCP支持半关闭状态（一方关闭发送，但可以继续接收），四次挥手可以正确处理这种状态。

在车载以太网中，四次挥手可以确保ECU之间的连接在关闭时不会丢失数据或导致资源浪费，这对于车辆系统的稳定性和安全性至关重要。

总结
三次握手和四次挥手是TCP协议的核心机制，用于确保连接的可靠建立和关闭。在车载以太网中，由于车辆内部网络环境复杂且对实时性和可靠性要求高，这些机制尤为重要。它们可以避免连接错误、数据丢失和资源泄漏，从而保证车辆内部通信的稳定性和安全性。

5.3 为什么TCP使用四次挥手而不是三次挥手

车载以太网TCP协议使用四次挥手（Four-way Handshake）来终止连接，而不是三次挥手，主要是为了确保连接的可靠性和完整性。以下是详细的原因：

  1. 确保双方都完成数据传输
    TCP是全双工协议，意味着双方可以同时发送和接收数据。当一方（假设为A）想要关闭连接时，它可能还有数据需要发送给另一方（B）。因此，A会发送一个FIN（Finish）报文，表示它不再发送数据，但B可能还有数据要发送给A。B在接收到A的FIN后，会发送一个ACK（Acknowledgment）报文，表示它已经收到了A的FIN，但B可能还需要继续发送数据。只有当B也准备好关闭连接时，它才会发送自己的FIN报文，A再回复一个ACK。这确保了双方都完成了数据传输。

  2. 防止数据丢失
    如果使用三次挥手，可能会导致数据丢失。例如，如果A发送FIN后，B立即回复FIN+ACK，而A在收到B的FIN后立即关闭连接，那么B可能还有一些数据尚未发送给A。这些数据将丢失，因为A已经关闭了连接。通过四次挥手，B可以在发送FIN之前确保所有数据都已发送完毕，从而避免数据丢失。

  3. 处理网络延迟和乱序
    在网络中，数据包可能会延迟或乱序到达。四次挥手的设计可以更好地处理这些情况。A发送FIN后，B可能还需要一些时间来处理剩余的数据。B在发送FIN之前，可以确保所有数据都已处理完毕，然后再发送FIN。A在收到B的FIN后，再发送ACK，确保B知道A已经收到了FIN。这样，即使在网络中存在延迟或乱序，连接仍然可以可靠地关闭。

  4. 防止半关闭状态
    如果使用三次挥手，可能会导致连接处于半关闭状态。例如，A发送FIN后，B立即回复FIN+ACK，然后A关闭连接，但B可能仍然保持连接打开，等待A的ACK。这种情况下，B可能认为连接仍然有效，而实际上A已经关闭了连接。通过四次挥手，双方都可以明确地知道对方已经关闭了连接，从而避免半关闭状态。

总结
车载以太网TCP协议使用四次挥手而不是三次挥手，主要是为了确保双方都完成了数据传输，防止数据丢失，处理网络延迟和乱序，以及避免连接处于半关闭状态。这种设计提高了连接的可靠性和完整性，特别适合在车载以太网这种对实时性和可靠性要求较高的环境中使用。

6 总结

本文主要对车载以太网TCP协议的帧结构、通信过程（三次握手、四次挥手）、实例以及疑惑点解析等做了详细的介绍。希望能对大家了解车载以太网TCP协议的机制有所帮助！

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