基于UDP协议的可靠性改进协议

摘要:该文通过比较分析传输层传输协议UDP的不可靠性和TCP的低效率将在UDP协议的基础上提出并实现嵌入式设备的可靠数据传输及一种新型的多帧无线传输RUDP协议。RUDP协议软件模块提供基于消息的可靠通信功能,通信是面向连接的,底层采用UDP作为承载协议。

关键词:UDP;RUDP;可靠性

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)16-4379-02

Reliable Improvement Agreement Based on UDP Agreement

YIN Ran-ran

(School of Computer & Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract: This article will propose and realizes the embedded equipment's authentic data transmission and one kind of new many through the comparative analysis transmission level transport protocols UDP unreliability and the TCP low efficiency in the UDP agreement's foundation transmits the RUDP agreement wireless. The RUDP agreement software module provides based on the news reliable communication function, the correspondence is faces the connection, the first floor uses UDP to take the load bearing agreement.

Key words: UDP; RUDP; reliability

1 TCP协议和UDP协议

1.1 TCP协议

传输控制协议即TCP,尽管它和UDP都使用相同的网络层协议(IP),但它向应用层提供了与UDP完全不同的服务,它提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。面向连接意味着两个使用TCP的应用在彼此交换数据之前必须先建立一个TCP连接,数据传输完成后,再经过4次握手终止双方的连接。在数据传输的过程中,TCP还通过对数据的确认、流量控制等手段提高通信的可靠性。

1.2 UDP协议

UDP(User Datagram Protocol),即用户数据报协议。在TCP/IP网络通信中, UDP协议是一种面向无连接的服务。它发送数据以独立的数据包形式,不保证各数据包的发送顺序,也不进行正确性检查,因此,可能出现数据的重发、丢失、失序等现象[2]。使用UDP协议的常见服务有DNS、QQ等。

UDP协议直接向接收方发送数据而不关心对方计算机的状态,因此,它是一种相对不可靠的通信协议。正因为UDP协议不考虑网络数据传输过程中的很多问题,所以能节省了大量的网络状态确认和数据确认的系统资源消耗,从而提高UDP协议的传输速度和网络的利用效率。可是,如果既能充分利用UDP协议的这些优势,又能保证UDP通信的可靠性,网络通信系统的性能将会得到更大程度地提高。

2 RUDP 协议的提出

2.1 嵌入式设备可靠通信面临的问题

面向连接方式的服务功能明显很强大,它能够发挥面向连接的传输所具备的特性,例如流量控制,差错处理以及顺序交付等等,但是面向无连接的服务更适合于某些情况,在网络层上使用IP协议就是一个面向无连接的服务而且这个面向无连接的服务显得更加健壮,因为Internet本身就是一个不稳定的环境,面向连接的服务反而不能很好的运行于其上。

如果使用TCP连接协议实现嵌入式设备之间的数据传输可能带来许多的问题,嵌入式设备之间建立TCP连接并发送数据后,或者接收端向正在请求连接的设备发出SYN+ACK应答报文后,都可能无法接收到终端的ACK报文,在这种情况下发送端一般会重试并等待一段时间后终止这个连接。大量重传数据会进一步加剧网络的拥塞情况,严重时可以使网络及服务器系统崩溃,同时也会对数据传输的实时性产生影响。同时目前嵌入式设备又存在多点分散、数据量小、实时性要求高等特点[3]。本文将在UDP协议的基础上提出并实现嵌入式设备的可靠数据传输。

2.2 嵌入式可靠传输模型的体系结构

RUDP协议软件模块底层采用UDP作为承载协议,提供基于消息的可靠通信功能。根据计算机网络层次体系的概念,RUDP协议的层次模型就是在原UDP/IP协议的传输层和应用层之间加入了RUDP层和标志层。RUDP协议的层次结构如表1所示。

RUDP层的功能是保证数据的可靠传送。由于嵌入式设备通过网络进行消息的收发是处于一个公共网络的环境之中,可能会有大量无用的数据向嵌入式设备进行发送,大量的数据解析会极大地增加嵌入式设备的负担。为了避免这个问题,我们增加了一个标志层,标志层可以让嵌入式设备迅速的判断所接收的数据包是否为有效数据包,如果标志层数据不可识别,则迅速将包丢弃。在可靠传输层进行可靠传输设计和实现,在这一层,我们增加一系列可靠传输机制以保证嵌入式设备之间数据的可靠传输。这样就形成了一个原UDP协议所在传输层和应用层之间加入了一层为保证可靠数据传送而实现的RUDP软件模块和标志层的六层体系结构。从而,在UDP协议的基础上实现一种基于消息的面向连接的,适合嵌入式设备的可靠数据传递机制。

2.3 嵌入式可靠传输模型的基本功能

嵌入式可靠传输模型RUDP主要功能有:

1) 基于消息的收发功能:RUDP的传输层利用基于消息的传输协议,所以不必考虑发送端可以接收多少数据,只需知道能否接收数据即可。

2) 校验和:RUDP的校验和算法采用UDP的校验功能保证数据包的正确和顺序到达。UDP校验和字段是对整个UDP报文头和UDP所带的数据的校验和。

3) 丢弃重复包和保存失序包的功能:每当收到数据包后,便对数据包进行确认。保存未确认的数据包,丢弃已经确认了的重复包。由于UDP传送过程中,收到的数据包的顺序可能会和发送的顺序有一定的区别,所以保存失序包能够有效的减少重发的次数,也就是能相应的减少网络的数据流量。

4) 超时重发功能:RUDP中借鉴TCP中的超时重发机制来保证数据包的可靠传递;同时TCP中的确认延迟功能也得到借鉴,这样可以显著降低网络的流量,提高嵌入式系统的通信效率。

5) 服务器和客户端保活功能:探测收发两端的连接是否正常时嵌入式可靠传输模型中必须要实现的一个功能。如果连接已经出错,若干数据包仍然发送,当超时定时器到时后就会进行数据的重发。如果没有判断收发两端的连接是否正常,则会导致数据无法正常而又高效的发送。

2.4 RUDP协议工作过程

RUDP协议的工作过程是:首先,建立连接。发送方和接收方通过三次握手的方式建立连接(三次握手过程如图1所示)。第三次握手时,发送方发给接收方的数据帧中除了包含对接收方的确认信息之外,还包含将要发送的数据帧总数。接收方收到确认帧后,开始与发送方建立连接。与此同时将根据收到的帧总数设置接收窗口大小并将所有帧序号放入缓存。双方连接建立好后保证了数据发送和接收的同步性。

接着,发送方开始发送数据帧,接收方收到数据帧并进行处理。能够正确接收到的帧序号将会从序号缓存中删除。发送方发送完数据帧后发送“发送完”标志给接收方。接收方收到此标志后,开始扫描帧序号缓存。如果数据帧全部接收到,接收方向发送方发送一“接收完”标志,发送方收到后断开连接。如果序号缓存中有序号则说明有帧丢失,这时接收方将向发送方发出一个带有丢失帧序号的确认帧。发送方收到此确认帧后将重新发送丢失帧。如此重复,直到接收方完全正确接收到数据帧。其工作过程如图2所示。

3 总结

通过分析比较传输层协议TCP和UDP,能够看到它们各自的特点,并分析出它们各自的优势和缺点。结合嵌入式设备数据传输的特点同时针对UDP在可靠性方面的不足进行了改进,简单介绍了RUDP协议的原理和工作过程。通过分析可以看出采用RUDP的效率在嵌入式设备数据传输中要优于UDP协议,这样就可以实现一种更适合于嵌入式设备的可靠数据传递机制。

参考文献:

[1] Wright G R,Stevens W R. TCP/ IP 详解卷2:实现[M].陆雪莹,蒋慧,译.北京:机械工业出版社,1999.

[2] Comer D E. 用TCP/IP进行网络互联[M].张娟,王海,译.卷2.北京:电子工业出版社,1998.

[3] 田泽.嵌入式系统开发与应用教程[M].北京:北京航空航天大学出版杜,2005:105-210.