基于UDP協議的可靠數據傳輸的實現

許坤　趙亮

摘 ? 要：UDP協議提供面向操作的簡單而非可靠的數據傳輸服務。為了同時獲得數據傳輸的高效性和可靠性，本文仿照TCP協議，在應用層建立報文確認與超時重發機制，基于UDP協議設計了一種可靠的數據傳輸方法并在工程項目中得到了應用。本文對兩種協議的特點進行了探討，基于UDP協議設計了一種可靠的數據傳輸方法并在工程項目中得到了應用。

關鍵詞：UDP ?可靠傳輸 ?報文確認與超時重發機制

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

隨著計算機網絡技術的快速發展，網絡數據傳輸的實時性、可靠性越來越得到重視。而數據傳輸的性能與選擇使用的網絡協議密切相關。目前應用最廣泛的計算機協議是TCP/IP協議。TCP/IP協議棧中與數據傳輸相關的協議主要包括TCP和UDP兩種。這兩種協議各有優勢，TCP協議面向連接，更加可靠;UDP協議面向操作，簡單高效。在一些實際工程應用中，期望同時獲得數據傳輸的實時性、高效性和可靠性。

2 ?UDP協議與TCP協議的比較

2.1 TCP協議的特點

TCP（傳輸控制協議）提供了一種面向連接的實現可靠傳輸的通信方式。通信雙方經“三次握手”機制進入連接狀態。通過設置滑動窗口，接收方只允許發送方發送其緩沖區能夠容納的數據，實現流量控制。發送方對用戶數據進行分片，由接收方對分片進行重組排序。接收方對收到的數據進行校驗，如果數據校驗和有差錯，則丟棄該數據。若數據校驗無誤，則接收方向發送方發出確認信息;而發送方在發出數據后啟動定時器，若超時未收到確認信息則向接收方重新發出數據。

2.2 UDP協議的特點

UDP（用戶數據報協議）提供了一種面向操作的簡單而非可靠的數據傳輸服務。數據發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只負責把應用層傳來的數據包發送出去，但不保證數據能達到目的地。因此存在數據包丟失、重復和亂序的可能性。接收端進行數據校驗，并丟棄校驗和有差錯的數據，這與TCP是相同的。

2.3 UDP與TCP協議的比較

簡而言之，UDP與TCP協議的差異，見表1。

表1可見，在數據傳輸的可靠性上，TCP具有顯而易見的優勢。由于建立了明確的連接，加上有確認與超時重發、流量控制等功能，端與端之間進行數據傳輸穩定可靠。這樣的通信方式比較適合于網絡環境復雜的廣域網，數據傳輸可能跨越多個不可預知的網段的場合。然而，如果我們的應用是在網絡環境簡單明確、各網段因素可預知的局域網，或者當我們更加強調數據的快速傳輸而不是數據的完整性時，UDP是更合適的通信協議。它的優勢體現在以下幾點。

（1）充分利用局域網本身的可靠性，無需連接，節省系統開銷;

（2）不存在分片與重組管理，節省系統開銷;

（3）無需對數據分片進行確認，提高了網絡使用效率;

（4）支持組播和廣播，提高了數據傳輸效率。

對局域網而言，在實際工程應用中，我們可以借鑒TCP的一些特點，在UDP的應用層進行改進，從而在實現數據高效傳輸的同時，提高數據傳輸的可靠性。

3 ?UDP協議下數據可靠傳輸的思路

對于網絡拓撲結構比較簡單的局域網來說，各段網路的性能參數是可知的，通信質量可預測，可靠性比較好，因此在進行網絡數據傳輸時建立連接的步驟可以省略。當網絡環境處于較差狀態下，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協議，在應用層建立報文確認與超時重發機制。

所謂報文確認與超時重發機制，就是當接收方收到來自發送方的數據報文后，立即反饋一條確認報文給發送方;發送方發出數據報文后，開啟計時器;當計時達到某一時長仍未收到對應的確認報文，則重新發出數據報文。采取多次重發的方法，可以解決偶發性的丟包問題。

4 ?UDP協議下數據可靠傳輸的實現

4.1 報文結構設置

把UDP數據報分為兩種：數據報文與確認報文。數據報文負責傳遞業務信息，確認報文負責對收到的數據報文進行應答。數據報文結構定義見表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，不包含數據字段。

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

4.2 報文確認與超時重發機制的實現

首先建立兩個環形數據緩沖區：報文緩沖區、超時緩沖區，同時啟動一個定時器。報文緩沖區存放待確認報文，超時緩沖區存放超時表。定時器周期性發出消息用于報文超時重發的倒計時。超時表是記錄數據報文的重發次數和超時值的數據結構，其結構定義見表3。應用程序對發出的每條數據報文維護一個超時表，當發出的數據報文得到接收方的確認反饋，則把超時表從超時緩沖區中移除。

報文確認與超時重發機制的相關流程如下。

（1）發出數據報文，同時把該數據報文投入報文緩沖區，把該報文對應的超時表投入超時緩沖區。超時表中重發次數設置為初始值0，超時值根據需要而定，比如100ms。

（2）收到一條報文時，先判斷確認號（假設為ACK）。若ACK為0，表示收到的是數據報文，根據數據報文的序列號sn，立即反饋一條確認報文，其確認號設置為等于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中搜索序列號等于ACK的待確認報文，并從緩沖區中移除該報文，同時在超時緩沖區中搜索序列號等于ACK的超時表，并從緩沖區中移除該超時表。

（3）周期性發出消息，而應用程序響應這個消息，對超時緩沖區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，則應用程序將判斷其重發次數N：若N=0或1，則N自加1，而超時值更新為100ms（根據需要而定），并從報文緩沖區中提取與超時表序列號對應的數據報文重新發出;若N=2，則把報文緩沖區中與該超時表序列號對應的數據報文移除，把該超時表從超時緩沖區中移除。

按照上述方法設計的程序，應用于某工程項目中，在局域網環境比較惡劣、報文擁塞的情況下，測試了數據報文的丟包率，結果丟包率為0，達到了預期目的。

5 ?結語

引進報文確認與超時重發機制，有效改善了UDP協議下數據傳輸的可靠性，在特定局域網環境中，同時獲得了實時高效與可靠傳輸的特性。在實際工程應用中，報文重發次數、重發超時時間、定時器消息周期等參數，可根據需要進行設定。

參考文獻

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