基于UDP協(xié)議的可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

許坤　趙亮

摘 ? 要：UDP協(xié)議提供面向操作的簡單而非可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。為了同時(shí)獲得數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院涂煽啃?，本文仿照TCP協(xié)議，在應(yīng)用層建立報(bào)文確認(rèn)與超時(shí)重發(fā)機(jī)制，基于UDP協(xié)議設(shè)計(jì)了一種可靠的數(shù)據(jù)傳輸方法并在工程項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。本文對(duì)兩種協(xié)議的特點(diǎn)進(jìn)行了探討，基于UDP協(xié)議設(shè)計(jì)了一種可靠的數(shù)據(jù)傳輸方法并在工程項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：UDP ?可靠傳輸 ?報(bào)文確認(rèn)與超時(shí)重發(fā)機(jī)制

中圖分類號(hào)：TP3017 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）06（b）-0007-02

1 ?概述

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性越來越得到重視。而數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅芘c選擇使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議密切相關(guān)。目前應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)協(xié)議是TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議棧中與數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的協(xié)議主要包括TCP和UDP兩種。這兩種協(xié)議各有優(yōu)勢(shì)，TCP協(xié)議面向連接，更加可靠;UDP協(xié)議面向操作，簡單高效。在一些實(shí)際工程應(yīng)用中，期望同時(shí)獲得數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、高效性和可靠性。

2 ?UDP協(xié)議與TCP協(xié)議的比較

2.1 TCP協(xié)議的特點(diǎn)

TCP（傳輸控制協(xié)議）提供了一種面向連接的實(shí)現(xiàn)可靠傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。通信雙方經(jīng)“三次握手”機(jī)制進(jìn)入連接狀態(tài)。通過設(shè)置滑動(dòng)窗口，接收方只允許發(fā)送方發(fā)送其緩沖區(qū)能夠容納的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)流量控制。發(fā)送方對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分片，由接收方對(duì)分片進(jìn)行重組排序。接收方對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)校驗(yàn)和有差錯(cuò)，則丟棄該數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)校驗(yàn)無誤，則接收方向發(fā)送方發(fā)出確認(rèn)信息;而發(fā)送方在發(fā)出數(shù)據(jù)后啟動(dòng)定時(shí)器，若超時(shí)未收到確認(rèn)信息則向接收方重新發(fā)出數(shù)據(jù)。

2.2 UDP協(xié)議的特點(diǎn)

UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）提供了一種面向操作的簡單而非可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)沒有建立明確的連接，不提供可靠性，也不提供報(bào)文確認(rèn)、分片與重組排序以及流量控制等功能。UDP只負(fù)責(zé)把應(yīng)用層傳來的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，但不保證數(shù)據(jù)能達(dá)到目的地。因此存在數(shù)據(jù)包丟失、重復(fù)和亂序的可能性。接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，并丟棄校驗(yàn)和有差錯(cuò)的數(shù)據(jù)，這與TCP是相同的。

2.3 UDP與TCP協(xié)議的比較

簡而言之，UDP與TCP協(xié)議的差異，見表1。

表1可見，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃陨?，TCP具有顯而易見的優(yōu)勢(shì)。由于建立了明確的連接，加上有確認(rèn)與超時(shí)重發(fā)、流量控制等功能，端與端之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。這樣的通信方式比較適合于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜的廣域網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸可能跨越多個(gè)不可預(yù)知的網(wǎng)段的場合。然而，如果我們的應(yīng)用是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境簡單明確、各網(wǎng)段因素可預(yù)知的局域網(wǎng)，或者當(dāng)我們更加強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的快速傳輸而不是數(shù)據(jù)的完整性時(shí)，UDP是更合適的通信協(xié)議。它的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

（1）充分利用局域網(wǎng)本身的可靠性，無需連接，節(jié)省系統(tǒng)開銷;

（2）不存在分片與重組管理，節(jié)省系統(tǒng)開銷;

（3）無需對(duì)數(shù)據(jù)分片進(jìn)行確認(rèn)，提高了網(wǎng)絡(luò)使用效率;

（4）支持組播和廣播，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

對(duì)局域網(wǎng)而言，在實(shí)際工程應(yīng)用中，我們可以借鑒TCP的一些特點(diǎn)，在UDP的應(yīng)用層進(jìn)行改進(jìn)，從而在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)耐瑫r(shí)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3 ?UDP協(xié)議下數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)乃悸?/p>

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡單的局域網(wǎng)來說，各段網(wǎng)路的性能參數(shù)是可知的，通信質(zhì)量可預(yù)測(cè)，可靠性比較好，因此在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)建立連接的步驟可以省略。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境處于較差狀態(tài)下，可能會(huì)存在小概率的丟包問題。解決這一問題的方法，是仿照TCP協(xié)議，在應(yīng)用層建立報(bào)文確認(rèn)與超時(shí)重發(fā)機(jī)制。

所謂報(bào)文確認(rèn)與超時(shí)重發(fā)機(jī)制，就是當(dāng)接收方收到來自發(fā)送方的數(shù)據(jù)報(bào)文后，立即反饋一條確認(rèn)報(bào)文給發(fā)送方;發(fā)送方發(fā)出數(shù)據(jù)報(bào)文后，開啟計(jì)時(shí)器;當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到某一時(shí)長仍未收到對(duì)應(yīng)的確認(rèn)報(bào)文，則重新發(fā)出數(shù)據(jù)報(bào)文。采取多次重發(fā)的方法，可以解決偶發(fā)性的丟包問題。

4 ?UDP協(xié)議下數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

4.1 報(bào)文結(jié)構(gòu)設(shè)置

把UDP數(shù)據(jù)報(bào)分為兩種：數(shù)據(jù)報(bào)文與確認(rèn)報(bào)文。數(shù)據(jù)報(bào)文負(fù)責(zé)傳遞業(yè)務(wù)信息，確認(rèn)報(bào)文負(fù)責(zé)對(duì)收到的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行應(yīng)答。數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)定義見表2。（字段1-3為報(bào)文頭）

確認(rèn)報(bào)文只包含上表中所示的報(bào)文頭，不包含數(shù)據(jù)字段。

對(duì)于發(fā)出的報(bào)文，序列號(hào)從1開始，依次遞增（對(duì)于超時(shí)重發(fā)的報(bào)文則保持原序列號(hào)），到255再循環(huán)回到1。當(dāng)發(fā)出數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，報(bào)文中的確認(rèn)號(hào)設(shè)置為0;當(dāng)發(fā)出確認(rèn)報(bào)文時(shí)，確認(rèn)號(hào)設(shè)置為接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文的序列號(hào)。

4.2 報(bào)文確認(rèn)與超時(shí)重發(fā)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

首先建立兩個(gè)環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：報(bào)文緩沖區(qū)、超時(shí)緩沖區(qū)，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器。報(bào)文緩沖區(qū)存放待確認(rèn)報(bào)文，超時(shí)緩沖區(qū)存放超時(shí)表。定時(shí)器周期性發(fā)出消息用于報(bào)文超時(shí)重發(fā)的倒計(jì)時(shí)。超時(shí)表是記錄數(shù)據(jù)報(bào)文的重發(fā)次數(shù)和超時(shí)值的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)定義見表3。應(yīng)用程序?qū)Πl(fā)出的每條數(shù)據(jù)報(bào)文維護(hù)一個(gè)超時(shí)表，當(dāng)發(fā)出的數(shù)據(jù)報(bào)文得到接收方的確認(rèn)反饋，則把超時(shí)表從超時(shí)緩沖區(qū)中移除。

報(bào)文確認(rèn)與超時(shí)重發(fā)機(jī)制的相關(guān)流程如下。

（1）發(fā)出數(shù)據(jù)報(bào)文，同時(shí)把該數(shù)據(jù)報(bào)文投入報(bào)文緩沖區(qū)，把該報(bào)文對(duì)應(yīng)的超時(shí)表投入超時(shí)緩沖區(qū)。超時(shí)表中重發(fā)次數(shù)設(shè)置為初始值0，超時(shí)值根據(jù)需要而定，比如100ms。

（2）收到一條報(bào)文時(shí)，先判斷確認(rèn)號(hào)（假設(shè)為ACK）。若ACK為0，表示收到的是數(shù)據(jù)報(bào)文，根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)文的序列號(hào)sn，立即反饋一條確認(rèn)報(bào)文，其確認(rèn)號(hào)設(shè)置為等于sn。若ACK非0，表示收到的是確認(rèn)報(bào)文，下一步操作是在報(bào)文緩沖區(qū)中搜索序列號(hào)等于ACK的待確認(rèn)報(bào)文，并從緩沖區(qū)中移除該報(bào)文，同時(shí)在超時(shí)緩沖區(qū)中搜索序列號(hào)等于ACK的超時(shí)表，并從緩沖區(qū)中移除該超時(shí)表。

（3）周期性發(fā)出消息，而應(yīng)用程序響應(yīng)這個(gè)消息，對(duì)超時(shí)緩沖區(qū)中每個(gè)超時(shí)表的超時(shí)值進(jìn)行倒計(jì)時(shí)更新，一旦某個(gè)超時(shí)表的超時(shí)值歸0，則應(yīng)用程序?qū)⑴袛嗥渲匕l(fā)次數(shù)N：若N=0或1，則N自加1，而超時(shí)值更新為100ms（根據(jù)需要而定），并從報(bào)文緩沖區(qū)中提取與超時(shí)表序列號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)文重新發(fā)出;若N=2，則把報(bào)文緩沖區(qū)中與該超時(shí)表序列號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)文移除，把該超時(shí)表從超時(shí)緩沖區(qū)中移除。

按照上述方法設(shè)計(jì)的程序，應(yīng)用于某工程項(xiàng)目中，在局域網(wǎng)環(huán)境比較惡劣、報(bào)文擁塞的情況下，測(cè)試了數(shù)據(jù)報(bào)文的丟包率，結(jié)果丟包率為0，達(dá)到了預(yù)期目的。

5 ?結(jié)語

引進(jìn)報(bào)文確認(rèn)與超時(shí)重發(fā)機(jī)制，有效改善了UDP協(xié)議下數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在特定局域網(wǎng)環(huán)境中，同時(shí)獲得了實(shí)時(shí)高效與可靠傳輸?shù)奶匦浴Ｔ趯?shí)際工程應(yīng)用中，報(bào)文重發(fā)次數(shù)、重發(fā)超時(shí)時(shí)間、定時(shí)器消息周期等參數(shù)，可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。

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