基于UDP協(xié)議的可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(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)。為了同時獲得數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院涂煽啃裕疚姆抡誘CP協(xié)議，在應(yīng)用層建立報文確認與超時重發(fā)機制，基于UDP協(xié)議設(shè)計了一種可靠的數(shù)據(jù)傳輸方法并在工程項目中得到了應(yīng)用。本文對兩種協(xié)議的特點進行了探討，基于UDP協(xié)議設(shè)計了一種可靠的數(shù)據(jù)傳輸方法并在工程項目中得到了應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：UDP ?可靠傳輸 ?報文確認與超時重發(fā)機制

中圖分類號：TP3017 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）06（b）-0007-02

1 ?概述

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r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)用最廣泛的計算機協(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，TCP協(xié)議面向連接，更加可靠;UDP協(xié)議面向操作，簡單高效。在一些實際工程應(yīng)用中，期望同時獲得數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r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

TCP（傳輸控制協(xié)議）提供了一種面向連接的實現(xiàn)可靠傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健Ｍㄐ烹p方經(jīng)“三次握手”機制進入連接狀態(tài)。通過設(shè)置滑動窗口，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)，實現(xiàn)流量控制。發(fā)送方對用戶數(shù)據(jù)進行分片，由接收方對分片進行重組排序。接收方對收到的數(shù)據(jù)進行校驗，如果數(shù)據(jù)校驗和有差錯，則丟棄該數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)校驗無誤，則接收方向發(fā)送方發(fā)出確認信息;而發(fā)送方在發(fā)出數(shù)據(jù)后啟動定時器，若超時未收到確認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

UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(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)送時沒有建立明確的連接，不提供可靠性，也不提供報文確認、分片與重組排序以及流量控制等功能。UDP只負責把應(yīng)用層傳來的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，但不保證數(shù)據(jù)能達到目的地。因此存在數(shù)據(jù)包丟失、重復和亂序的可能性。接收端進行數(shù)據(jù)校驗，并丟棄校驗和有差錯的數(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)目煽啃陨希琓CP具有顯而易見的優(yōu)勢。由于建立了明確的連接，加上有確認與超時重發(fā)、流量控制等功能，端與端之間進行數(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)境復雜的廣域網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸可能跨越多個不可預知的網(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)段因素可預知的局域網(wǎng)，或者當我們更加強調(diào)數(shù)據(jù)的快速傳輸而不是數(shù)據(jù)的完整性時，UDP是更合適的通信協(xié)議。它的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾點。

（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）無需對數(shù)據(jù)分片進行確認，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。

對局域網(wǎng)而言，在實際工程應(yīng)用中，我們可以借鑒TCP的一些特點，在UDP的應(yīng)用層進行改進，從而在實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)耐瑫r，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>

對于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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)量可預測，可靠性比較好，因此在進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時建立連接的步驟可以省略。當網(wǎng)絡(luò)環(huán)境處于較差狀態(tài)下，可能會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)用層建立報文確認與超時重發(fā)機制。

所謂報文確認與超時重發(fā)機制，就是當接收方收到來自發(fā)送方的數(shù)據(jù)報文后，立即反饋一條確認報文給發(fā)送方;發(fā)送方發(fā)出數(shù)據(jù)報文后，開啟計時器;當計時達到某一時長仍未收到對應(yīng)的確認報文，則重新發(fā)出數(shù)據(jù)報文。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)膶崿F(xiàn)

4.1 報文結(jié)構(gòu)設(shè)置

把UDP數(shù)據(jù)報分為兩種：數(shù)據(jù)報文與確認報文。數(shù)據(jù)報文負責傳遞業(yè)務(wù)信息，確認報文負責對收到的數(shù)據(jù)報文進行應(yīng)答。數(shù)據(jù)報文結(jié)構(gòu)定義見表2。（字段1-3為報文頭）

確認報文只包含上表中所示的報文頭，不包含數(shù)據(jù)字段。

對于發(fā)出的報文，序列號從1開始，依次遞增（對于超時重發(fā)的報文則保持原序列號），到255再循環(huán)回到1。當發(fā)出數(shù)據(jù)報文時，報文中的確認號設(shè)置為0;當發(fā)出確認報文時，確認號設(shè)置為接收到的數(shù)據(jù)報文的序列號。

4.2 報文確認與超時重發(fā)機制的實現(xiàn)

首先建立兩個環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：報文緩沖區(qū)、超時緩沖區(qū)，同時啟動一個定時器。報文緩沖區(qū)存放待確認報文，超時緩沖區(qū)存放超時表。定時器周期性發(fā)出消息用于報文超時重發(fā)的倒計時。超時表是記錄數(shù)據(jù)報文的重發(fā)次數(shù)和超時值的數(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)報文維護一個超時表，當發(fā)出的數(shù)據(jù)報文得到接收方的確認反饋，則把超時表從超時緩沖區(qū)中移除。

報文確認與超時重發(fā)機制的相關(guān)流程如下。

（1）發(fā)出數(shù)據(jù)報文，同時把該數(shù)據(jù)報文投入報文緩沖區(qū)，把該報文對應(yīng)的超時表投入超時緩沖區(qū)。超時表中重發(fā)次數(shù)設(shè)置為初始值0，超時值根據(jù)需要而定，比如100ms。

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

（3）周期性發(fā)出消息，而應(yīng)用程序響應(yīng)這個消息，對超時緩沖區(qū)中每個超時表的超時值進行倒計時更新，一旦某個超時表的超時值歸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，而超時值更新為100ms（根據(jù)需要而定），并從報文緩沖區(qū)中提取與超時表序列號對應(yīng)的數(shù)據(jù)報文重新發(fā)出;若N=2，則把報文緩沖區(qū)中與該超時表序列號對應(yīng)的數(shù)據(jù)報文移除，把該超時表從超時緩沖區(qū)中移除。

按照上述方法設(shè)計的程序，應(yīng)用于某工程項目中，在局域網(wǎng)環(huán)境比較惡劣、報文擁塞的情況下，測試了數(shù)據(jù)報文的丟包率，結(jié)果丟包率為0，達到了預期目的。

5 ?結(jié)語

引進報文確認與超時重發(fā)機制，有效改善了UDP協(xié)議下數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕谔囟ň钟蚓W(wǎng)環(huán)境中，同時獲得了實時高效與可靠傳輸?shù)奶匦浴Ｔ趯嶋H工程應(yīng)用中，報文重發(fā)次數(shù)、重發(fā)超時時間、定時器消息周期等參數(shù)，可根據(jù)需要進行設(shè)定。

參考文獻

[1] 趙飛，葉震.UDP協(xié)議與TCP協(xié)議的對比分析與可靠性改進[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2006，16（9）：219-221.

[2] 朱華剛，周祥龍，吳永剛.簡單可靠實時傳送UDP協(xié)議的研究和應(yīng)用[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護，2010，18（3）：50-53.

[3] 陳佳.基于UDP的數(shù)據(jù)傳輸可靠性保障機制研究及應(yīng)用[D].西安理工大學，2017.

[4] W.Richard Stevens. TCP/IP詳解 卷1：協(xié)議[M].范建華，胥光輝，張濤，等譯.北京：機械工業(yè)出版社， 2008.

[5] 謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.