TCPIP协议内核分析

亿欧 科技 9月9日消息，RISC-V处理器内核IP和解决方案公司“芯来 科技 ”近日宣布完成数千万元Pre-A轮融资，本轮融资由蓝驰创投、上创新微联合领投。此前，芯来 科技 曾获晶晨股份、芯原微电子、启迪之星创投的天使轮投资。 芯来 科技 创立于2018年，聚焦RISC-V处理器内核研发，已推出的N200系列RISC-V处理器内核IP，可以替代传统的8051与ARM Cortex-M系列内核，该内核IP系列已经过量产验证，目前已经全面推向市场。同时，芯来也提供指令扩展方案NICE，为客户提供便捷机制在芯来RISC-V处理器内核基础上进行自定义指令扩展。

UDP是一个简单的面向数据报的传输层协议:进程的每个输出 *** 作都正好产生一个UDP数据报，并组装成一份待发送的IP数据报。这与面向流字符的协议不同，如TCP，应用程序产生的全体数据与真正发送的单个IP数据报可能没有什么联系。

UDP数据报封装成一份IP数据报的格式如下图:

UTP不提供可靠性:它把应用程序传给IP层的数据发送出去，但是并不保证它们能到达目的地。

应用程序必须注意IP数据报的长度。如果它超过网络MTU(最大传输单元)，那么就要对IP数据报进行分片。如果需要源端到目的端的每个网络都要进行分片，并不只是发送端主机连接第一个网络才这样做。

首部结构如下图:

端口号表示发送进程和接受进程，由于IP层已经把IP数据报分配给TCP或UDP（根据IP首部中协议字段值），因此TCP端口号由TCP来查看，而UDP端口号由UDP来查看。TCP端口号与UDP端口号是相互独立的。

UDP长度字段指的是UDP首部和UDP数据的字节长度。该字段的最小值为8字节(发送一份0字节的UDP数据报是OK的)。这个UDP长度是有冗余的，IP数据报长度指的是数据报全长，因此UDP数据报长度等于IP数据报长度减去IP首部的长度。

UDP校验和覆盖UDP首部和UDP数据。回想IP首部的校验和，它只覆盖IP的首部----并不覆盖IP数据报的任何数据。

UDP和TCP在首部都有覆盖它们首部和数据的校验和。UDP校验和是可选的，而TCP的校验和是必需的。

尽管U D P检验和的基本计算方法与我们之前第三节中描述的IP首部检验和计算方法相类似（16bit字的二进制反码和），但是它们之间存在不同的地方。首先，UDP数据报的长度可以为奇数字节，但是检验和算法是把若干个16bit字相加。解决方法是必要时在最后增加填充字节0，这只是为了检验和的计算（也就是说，可能增加的填充字节不被传送）。

如果发送端没有计算检验和而接收端检测到检验和有差错，那么UDP数据报就要被悄悄地丢弃。不产生任何差错报文（当IP层检测到IP首部检验和有差错时也这样做）。

UDP检验和是一个端到端的检验和。它由发送端计算，然后由接收端验证。其目的是为了发现UDP首部和数据在发送端到接收端之间发生的任何改动。

物理网络层一般要限制每次发送数据帧的最大长度。任何时候IP层接收到一份要发送的IP数据报时，它要判断向本地哪个接口发送数据(选路)，并查询该接口获得其MTU。IP把MTU与数据报长度进行比较，如果需要则进行分片。分片可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上。

把一份IP数据报进行分片以后，只有到达目的地才进行重新组装(这里的重新组装与其他网络协议不同，它们要求在下一站就进行重新组装，而不是在最终目的地)。重新组装由目的端的IP层来完成，其目的是使分片和重新组装过程对传输层(TCP和UDP)是透明的。已经分片过得数据报可能会再次进行分片，IP首部中包含的数据为分片和重新组装提供了足够的信息。

对于发送端发送的每份IP数据报来说，其标识字段都包含一个唯一值。该值在数据报分片时被复制到每个片中。标志字段其中一个比特来表示"更多的片"。除了最后一片外，其他每个组成数据报的片都要把比特置1。片偏移字段指的是该片偏移原始数据报开始处的位置。另外，当数据报被分片后，每个片的总长度值要改为该片的长度值。

最后，标志字段中有一个比特称作“不分片”位。如果将这一比特置1，IP将不对数据报进行分片。相反把数据报丢弃并发送一个ICMP差错报（“需要进行分片但设置了不分片比特”）给起始端。

当IP数据报被分片后，每一片都成为一个分组，具有自己的IP首部，并在选择路由时与其他分组独立。这样，当数据报的这些片到达目的端时可能会失序，但是在IP首部中有足够的信息让接收端能正确组装这些数据报片。

IP分片有一个问题:丢失掉一片数据也要重新传输整个数据报。

原因:IP层没有超时重传机制---由更高层负责超时和重传。当来自TCP报文段的某一片丢失后，TCP超时会重发整个TCP报文段，该报文段对应于一份IP数据报。没有办法重传数据报中的一个数据报片。

使用UDP很容易导致IP分片。下图是UDP分片示例:

发现ICMP不可达差错的另一种情况是，当路由器收到一份需要分片的数据报，而在IP首部又设置了不分片(DF)的标志比特。如果某个程序需要判断到达目的端的路途中最小MTU是多少----称作路径MTU发现机制，那么这个差错就可以被该程序使用。

这个情况下ICMP不可达差错报文格式如下图：

如果路由器没有提供这种新的ICMP差错报文格式，那么下一站的MTU就为0。

理论上，IP数据报的最大长度是65535字节，这是由IP首部16比特总长度字段所限制的。去除20字节的IP首部和8个字节的UDP首部，UDP数据报中用户数据的最长长度为65507字节。但是，大多数实现所提供的长度比这个最大值小。

其中有两个限制因素:

1应用程序可能会受到其程序接口的限制。socket API提供了一个可供应用程序调用的函数，以设置接收和发送缓存的长度。对于UDP socket，这个长度与应用程序可以读写的最大UDP数据报的长度直接相关。

2第二个限制来自于TCP/IP的内核实现。可能存在一些实现特性(或差错)，是IP数据报长度小于65535字节。

我们同样可以使用UDP缠上ICMP"源站抑制"差错。当一个系统(路由器或主机)接受数据报的速度比其处理速度快时，可能产生这个差错。

当在以太网传播的数据需要经过SLIP链路时，可能产生该差错报文。因为SLIP链路的速度大约只有以太网的千分之一，所以，很容易使其缓存用完。

在本例中，应用程序要么没有接收到源站抑制差错信号，要么接收到却将其忽略了。结果是如果采用UDP协议，那么BSD实现通常忽略其接收到的源站抑制报文。其部分原因在于，在接收到源站抑制差错报文时，导致源站抑制的进程可能已经中止了。

不处理ICMP源站抑制差错，说明了UDP是一个非可靠的协议，它只控制端到端的流量控制。除非在应用程序中建立一些应答机制，否则发送端并不知道接收端是否收到了这些数据。

来自客户的是UDP数据报。IP首部包含源端和目的端IP地址，UDP首部包含了源端和目的端的UDP端口号。当一个应用程序接收到UDP数据报时， *** 作系统必须告诉它是谁发送了这份消息，即源IP地址和端口号。

这个特性允许一个交互UDP服务器对多个客户进行处理。给每个发送请求的客户发回应答。

一些应用程序需要知道数据报是发给谁的，即目的地址。这要求 *** 作系统从接收到的UDP数据报中将目的IP地址交给应用程序。

大多数UDP服务器是交互服务器，单个服务器进程对单个UDP端口上的所有客户请求进行处理。

通常程序所使用的每个UDP端口都与一个有限大小的输入队列向联系。这意味着，来自不同客户的差不多同时到达的请求将有UDP自动排队。接收到UDP数据报以其接收顺序交给应用程序。

因此，由于队列溢出导致的UDP数据报的丢失不可避免。应用程序不知道其输入队列什么时候会溢出，只能有UDP对超出数据报进行丢弃处理。同时，不会发挥任何消息告诉客户其数据报被丢弃。

大多数UDP服务器在创建UDP端点时都使其本地IP地址具有通配符的特点。这表明进入的UFP数据报如果其目的地为服务端端口，那么任何本地接口均可接收到它。

大多数系统允许UDP端点对远端地址进行限制。

下面是UDP服务器本身可以创建的三类地址绑定:

在所有情况下，lport指的是服务器有名端口号，localIP必须是本地接口的IP地址。表中这三行的排序是UDP模块在判断用哪个端点接收数据报时所采用的顺序。最为确定的地址（第一行）首先被匹配，最不确定的地址（最后一行IP地址带有两个星号）最后进行匹配。

当UDP数据报到达的目的IP地址为广播地址或多播地址，而且在目的IP地址和端口号处有多个端点时，就向每个端点传送一份数据报的复制（端点的本地IP地址可以含有星号，它可匹配任何目的IP地址）。但是，如果UDP数据报到达的是一个单播地址，那么只向其中一个端点传送一份数据报的复制。选择哪个端点传送数据取决于各个不同的系统实现。

UDP是一个简单协议。它想用户进程提供的服务位于IP层之上，包括端口号和可选的校验和，我们用UDP老检查校验和并观察分片是如何进行的。

当系统接收IP数据报的速率超过这些数据报被处理的速率时，系统可能发送ICMP源站抑制差错报文。使用UDP时很容易产生这样的ICMP差错。

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