基于UDP的实时数据可靠传输.docx

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基于UDP的实时数据可靠传输

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袁和+张光锋

摘要

为解决分布式链路聚合对网络数据传输快速性和可靠性的需求，提出RUDP（ReliableUDP）模型。该模型通过增加报文保序机制、报文确认和快速重传机制、报文分片重组机制，实现一种基于UDP的可靠传输协议。实验数据表明，该模型提高了數据传输的可靠性和效率。

【关键词】分布式链路聚合可靠传输UDP协议快速重传

1引言

当前，分布式链路聚合技术在网络数据备份链路中应用十分广泛。为了保证分布式聚合口上的各协议计算正确，设备间需要实时同步大量的配置和运行数据，要求网络数据传输高效可靠。目前网络数据传输协议主要是TCP，SCTP和UDP[1]。TCP和SCTP协议是面向连接的可靠传输层协议，保证数据传输的高可靠性。但其控制机制复杂，效率低下。UDP协议是无连接的传输层协议，数据传输效率高，但数据传输可靠性差。

根据标准协议的不足，本文在UDP传输协议的基础上提出RUDP（ReliableUDP）模型。该模型在网络通信的传输层和应用层之间新增一个RUDP层，通过封装可靠传输的协议头，建立可靠传输控制机制来实现实时数据的高效可靠传输。本文论述了RUDP模型原理及实现机制，并实验验证其可行性。

2RUDP模型

UDP是基于消息和非面向连接的传输协议，可以应用在基于消息的通信传输中，但是由于它是无连接的传输协议，缺少复杂的数据传输控制机制，所以不能保证[本文来自于]数据的可靠传输。

根据TCP/IP网络架构体系结构，RUDP模型是在传输层和应用层之间增加可靠传输控制层，将传统模式设计成五层网络架构。可靠传输控制层具有报文保序、报文确认、报文超时重传、报文分片与重组等功能。RUDP具有与TCP类似的工作机制，为保证数据可靠传输，在建立连接时也需要进行三次握手，但RUDP没有使用窗口机制，其保证可靠传输的控制策略比TCP控制策略简单。由于网络层使用的是UDP协议进行数据传输，本模型继承了UDP通信高效性的特点。

3RUDP实现机制

RUDP模型使用多种机制来保证数据传输的可靠性。下面将系统阐述RDUP协议层模型中报文属性定义，报文保序机制、报文确认和快速重传机制、报文分片重组机制，证明本文方法的可行性和有效性

3.1报文属性定义

为满足报文可靠传输，在发送报文发送之前给每个报文封装一个报文头，报文主要字段如表1所示。

3.2报文保序

初始情况下两端是无法感知对端序号的，所以在建立连接时采用三次握手过程进行序号交换。发送方发送第一个报文在报文中设置一个初始标记（INIT），并进入INIT_SEND状态，等待接收方确认。当接收方收到初始标记（INIT）报文之后，记录下发送方的初始序号，回应一个ACK，ACK序列号为发送方初始序列号加1，同时发送一个带初始标记（INIT）报文，报文中携带本端初始序列号，接收方进入INIT_RCVD状态。发送方收到接收方发送的带初始标记（INIT）报文和ACK后，记录发送方携带的初始序列号，进入ESTABLISHED状态，并发送一个ACK，ACK序列号为接收方初始序列号加1。接收方收到发送方的ACK后，进入ESTABLISHED状态。此时，两端设备就可以开始双向传递数据了。

为了保证报文的按序处理，每次发送报文时需要为报文分配一个序列号。本文中采用类似TCP实现方式，将接收端回应给发送端的ACK报文序号作为发送端的下一个报文的序号。当接收端报文接收缓冲区出现报文乱序时需要将乱序报文暂时缓存，待此序号之前的报文收集完整后再上送应用模块处理。

3.3报文确认和超时重传

为了保证报文的可靠性传输，需要实现对报文的确认和超时重传，接收端对每个接收到数据报文（纯ACK报文不需要确认）都需要确认，发送端只有当收到ACK确认消息之后才能够将报文从发送缓冲区中释放。当前TCP协议栈对报文的确认有如下几种方式：

（1）收到报文之后立即进行确认；

（2）当有数据发送时在发送数据时顺便携带ACK；

（3）支持经受延迟ACK，收到报文时不立即进行ACK的确认，当定时器超时之后再进行ACK的确认。为简化处理使用方式1进行报文确认。

发送方在一定时间内未收到ACK报文需要进行报文重传，在TCP协议栈中TCP超时定时器采用的是指数退避的方式，本模型直接采用固定超时的方式进行超时重传，发送方在发送报文成功后立即启动重传定时器（对于已经启动的不需要再启动），当重传定时器超时之前收到了ACK报文并且报文缓冲区中不存在未被确认[本文来自于wWW.zz-news.COM]报文时停止定时器，如果存在尚未确认的报文重新启动定时器，当重传定时器超时之后尚未收到ACK可以将缓冲区中序号最小的报文进行重传。为