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(cuò)的城市快速路網(wǎng)絡(luò)，日夜承載著自動(dòng)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(shí)時(shí)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(jī)使用體驗(yàn)，大則關(guān)乎自動(dòng)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(hù)的 “衛(wèi)士”，始終確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)不丟失、不錯(cuò)亂、準(zhǔn)時(shí)抵達(dá)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(yùn)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(xiàng)關(guān)鍵機(jī)制包括三次握手、四次揮手、確認(rèn)應(yīng)答、超時(shí)重傳、滑動(dòng)窗口、擁塞控制以及?；顧C(jī)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(bào)文結(jié)構(gòu)

TCP協(xié)議報(bào)文也稱TCP報(bào)文段，是TCP通信的基本單元，一個(gè)TCP報(bào)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(bào)文結(jié)構(gòu)，并對(duì)TCP首部進(jìn)行了格式解析：

源端口號(hào)：占16 位，表示發(fā)送方的端口號(hào)，取值范圍0~65535；

目的端口號(hào)：占16位，表示接收方的端口號(hào)，取值范圍0~65535；

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

確認(rèn)號(hào)：占32位，表示期望收到對(duì)方下一個(gè)報(bào)文段的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的序號(hào)；

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(jì)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(gè)標(biāo)志位；

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

ACK：占1位，確認(rèn)標(biāo)志，當(dāng)ACK被設(shè)置1時(shí)，確認(rèn)號(hào)字段才有效；

PSH：占1位，推送標(biāo)志，當(dāng)收到TCP報(bào)文段中的PSH值為1時(shí)應(yīng)盡快將數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用程序，不需要等到整個(gè)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(shí)表示連接錯(cuò)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(shí)表示一個(gè)連接請(qǐng)求或連接接收?qǐng)?bào)文；

FIN：占1位，結(jié)束標(biāo)志，用于關(guān)閉連接；

窗口大?。赫?6位，表示接收方希望一次接收多少字節(jié)；

檢驗(yàn)和：占16位，用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性；

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

選項(xiàng)：可變長度，最大長度為40字節(jié)【計(jì)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(xiàng)占用字節(jié)個(gè)數(shù)不是4字節(jié)的整數(shù)倍時(shí)，需要進(jìn)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(jìn)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?jǐn)嚅_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(gè)SYN報(bào)文，并且會(huì)隨機(jī)生成一個(gè)客戶端的序列號(hào)(seq)。

2）第二次握手(SYN-ACK)：服務(wù)端收到來自客戶端的SYN報(bào)文后也會(huì)生成一個(gè)隨機(jī)的序列號(hào)，同時(shí)也會(huì)計(jì)算出確認(rèn)號(hào)(Ack)，并通過SYN-ACK 報(bào)文發(fā)送給客戶端，該確認(rèn)號(hào)(Ack)也會(huì)告知客戶端下一次期望接收到報(bào)文序列號(hào)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(bào)文后，會(huì)發(fā)送一個(gè)ACK報(bào)文通知服務(wù)端，確認(rèn)接收到了序列號(hào)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(rèn)對(duì)方的連接能力，從而建立起一個(gè)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(bào)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(bào)文，確認(rèn)收到了客戶端FIN報(bào)文，ACK報(bào)文中的確認(rèn)號(hào)是收到FIN報(bào)文的序列號(hào)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(huì)發(fā)送一條FIN報(bào)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(bào)文，確認(rèn)收到了服務(wù)端的FIN報(bào)文，至此，連接完全關(guān)閉。

如下圖所示，四次揮手機(jī)制確保了雙方都有機(jī)會(huì)發(fā)送完所有數(shù)據(jù)，并且相互確認(rèn)了對(duì)方的終止請(qǐng)求，從而實(shí)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(bào)文后進(jìn)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(bào)文后進(jìn)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(jìn)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(bào)文并返回ACK后進(jìn)TIME-WAIT 狀態(tài)，該狀態(tài)持續(xù)時(shí)間為2MSL(Maximum Segment Lifetime，最大報(bào)文段生存時(shí)間);

LAST-ACK 狀態(tài)：服務(wù)端發(fā)送FIN報(bào)文后進(jìn)入此狀態(tài)等待客戶端發(fā)送ACK報(bào)文；

TCP的重要機(jī)制

1.確認(rèn)應(yīng)答與超時(shí)重傳

TCP 通過確認(rèn)應(yīng)答(ACK)實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，在建立TCP連接時(shí)會(huì)雙方都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)屬于自己的序列號(hào)，當(dāng)服務(wù)端收到數(shù)據(jù)后會(huì)根據(jù)seq信息判斷是否所期望的數(shù)據(jù)序號(hào)，判斷沒問題后會(huì)響應(yīng)一條ACK 報(bào)文告知對(duì)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(huì)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(huì)行使自己的超時(shí)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(shí)間內(nèi)沒有收到確認(rèn)應(yīng)答，會(huì)認(rèn)為自己數(shù)據(jù)已經(jīng)丟失并進(jìn)行重傳。

如下圖所示：

情景二：服務(wù)端回復(fù)了確認(rèn)應(yīng)答，但是服務(wù)端在一定時(shí)間內(nèi)并未收到，則客戶端也會(huì)進(jìn)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(shí)間內(nèi)未接收到應(yīng)答報(bào)文才會(huì)進(jìn)行重傳，這個(gè)時(shí)間定義為超時(shí)重傳時(shí)間(RTO)，如果重傳后還未接收到應(yīng)答報(bào)文，則重傳時(shí)間為2*RTO，以此類推，每重傳一次RTO值會(huì)加倍，這種行為也稱為指針退避策略。

2.滑動(dòng)窗口機(jī)制

通過TCP 的確認(rèn)應(yīng)答和超時(shí)重傳機(jī)制可知，每發(fā)一個(gè)TCP報(bào)文段時(shí)都要等待對(duì)方的應(yīng)答報(bào)文，這樣的傳輸方式降低了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，為了解決這個(gè)問題，TCP協(xié)議又增加一個(gè)滑動(dòng)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(gè)TCP報(bào)文段后不必要一直等待確認(rèn)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(bào)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(jìn)行傳輸呢？

如下圖所示：

服務(wù)端滑動(dòng)窗口：當(dāng)收到TCP報(bào)文段數(shù)據(jù)總長度為400字節(jié)時(shí)，已占滿了整個(gè)窗口大小，此時(shí)無法再接收其他數(shù)據(jù)，需要確認(rèn)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(dòng)窗口：

3．擁塞控制機(jī)制

通過滑動(dòng)窗口、確認(rèn)應(yīng)答、超時(shí)重傳等機(jī)制都體現(xiàn)了TCP協(xié)議傳輸?shù)目煽啃?，?dāng)網(wǎng)絡(luò)擁堵狀態(tài)下，由于客戶端接收不到確認(rèn)應(yīng)答報(bào)文會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)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(gè)主要部分：

（1)慢啟動(dòng)

慢啟動(dòng)為發(fā)送方的TCP增加了另一個(gè)窗口：擁塞窗口(congestion window)，記為cwnd，當(dāng)兩個(gè)主機(jī)建立TCP連接時(shí)，假定擁塞窗口被初始化為1個(gè)報(bào)文段(MSS)。發(fā)送方開始時(shí)發(fā)送一個(gè)報(bào)文段，然后等待ACK。當(dāng)收到該ACK時(shí)，擁塞窗口從1增加為2， 即可以發(fā)送兩個(gè)報(bào)文段。當(dāng)收到這兩個(gè)報(bào)文段的ACK時(shí)，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(dòng)中擁塞窗口呈指數(shù)增長，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)會(huì)再次造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，為避免這種現(xiàn)象，將設(shè)置一個(gè)閾值，當(dāng)達(dá)到閾值后擁塞窗口將進(jìn)行緩慢增長，這種方法稱為擁塞避免算法，而這個(gè)閾值稱為慢啟動(dòng)閾值(slow start threshold)，記為ssthresh，擁塞避免算法需要維持兩個(gè)變量：一個(gè)擁塞窗口和一個(gè)慢 啟動(dòng)閾值。

工作過程下圖所示：

在該圖中，設(shè)置ssthresh初始值為16個(gè)報(bào)文段，在時(shí)刻0發(fā)送了一個(gè)報(bào)文段，在時(shí)刻1收到它的ACK，此時(shí)cwnd 增長為2，接著發(fā)送了2個(gè)報(bào)文段，并假定在時(shí)刻2接收到它們的ACK，于是cwnd增加為4(對(duì)每個(gè)ACK增加一次)，這種指數(shù)增長方式一直進(jìn)行到時(shí)刻3和4之間收到8個(gè)ACK后，cwnd等于ssthresh時(shí)才停止，從此刻起，cwnd以線性方式增長，在每個(gè)往返時(shí)間內(nèi)最多增加一個(gè)報(bào)文段，假設(shè)在時(shí)刻4和5之間出現(xiàn)了超時(shí)情況，則重新進(jìn)入慢啟動(dòng)，此時(shí)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(gè)或者3個(gè)以上的重復(fù)ACK，此時(shí)會(huì)認(rèn)為某一報(bào)文段丟失并立刻進(jìn)行重傳而不需要等待超時(shí)重傳的時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)的Seq號(hào)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(dá)；

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(rèn)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(dòng)過程而直接進(jìn)入擁塞避免階段，這就是快速恢復(fù)算法，未經(jīng)過慢啟動(dòng)的原因是因?yàn)榻邮辗街挥惺盏搅硪粋€(gè)報(bào)文段時(shí)才會(huì)產(chǎn)生重復(fù)的ACK，也說明了后續(xù)的報(bào)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(gè)重復(fù)的ACK時(shí)，將ssthresh設(shè)置為當(dāng)前擁塞窗口的一半，并重傳丟失的報(bào)文段，設(shè)置cwnd為ssthresh +3個(gè)報(bào)文段；

2）每次收到另一個(gè)重復(fù)的ACK時(shí)，cwnd增加一個(gè)報(bào)文段大小

3）當(dāng)收到對(duì)丟失報(bào)文和其后若干報(bào)文段的累計(jì)確認(rèn)后置cwnd=ssthresh，進(jìn)入擁塞避免階段。

4.?；顧C(jī)制

?；顧C(jī)制(Keep-Alive) 是確保TCP連接處于活動(dòng)狀態(tài)或者及時(shí)檢測(cè)并關(guān)閉空閑連接的一種方法。關(guān)于保活機(jī)制有以下幾個(gè)重要參數(shù)：

?；顣r(shí)間：處于非活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間內(nèi)

?；顣r(shí)間間隔：兩個(gè)保活探測(cè)報(bào)文的時(shí)間間隔

?；钐綔y(cè)數(shù)：探測(cè)報(bào)文的最大次數(shù)

描述：如果在?；顣r(shí)間內(nèi)連接處于非活動(dòng)狀態(tài)，則TCP一端將會(huì)開啟?；顧C(jī)制向另一端發(fā)送?；钐綔y(cè)報(bào)文，如果客戶端沒有收到響應(yīng)報(bào)文，則經(jīng)過?；顣r(shí)間間隔后會(huì)再次發(fā)送一條?；钐綔y(cè)報(bào)文，直到發(fā)送次數(shù)達(dá)到?；钐綔y(cè)數(shù)，此時(shí)將認(rèn)為另一端不在線，并關(guān)閉TCP連接。保活探測(cè)報(bào)文的報(bào)文段長度為0或者包含一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，序列號(hào)為對(duì)方主機(jī)最大應(yīng)答號(hào)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(rèn)應(yīng)答、超時(shí)重傳、擁塞控制等機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效、可靠傳輸，其實(shí)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(shí)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(jiān)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

與此同時(shí)，OPEN聯(lián)盟發(fā)布了相應(yīng)的測(cè)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(cè)試項(xiàng)目，包括標(biāo)志位測(cè)試、窗口測(cè)試、序列號(hào)測(cè)試等，為行業(yè)提供了統(tǒng)一的驗(yàn)證依據(jù)。

北匯信息作為一家專注于汽車電子測(cè)試領(lǐng)域的企業(yè)，在車載以太網(wǎng)測(cè)試方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。我們可提供專業(yè)的培訓(xùn)、技術(shù)咨詢及完整的測(cè)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(cè)試服務(wù)或希望了解更多信息，歡迎隨時(shí)聯(lián)系我們。

參考文獻(xiàn)：

【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》