一种应用于UDP网络通讯状态机的智能定时器的软件实现

李艳红

(中南民族大学计算机科学学院，武汉430074)

在很多网络应用程序中，需要使用UDP来传送消息和数据，UDP传输是不可靠的，数据报可能会在传送途中被丢弃.但是它也有很多优点，比如无连接、效率高、系统资源开销小、适用于防火墙穿透等，在互联网实时通讯以及本机进程间通讯中得以广泛使用.设计UDP网络通讯程序，需要解决丢包、重发、异步、并发等问题.TCP和UDP在网络通讯中都必不可少，他们有不同的特点，有各自的适用范围，均不可互相替代.UDP能够在不建立连接的情况下收发数据，也就是说在防火墙允许的情况下，可以发送数据到任何地址，也可以接收任何地址发来的数据.很多场合非常需要这种数据收发的方式.但是正是因为这个特点，丢包的现象也是不可避免的.研究者们关注UDP传输的可靠性问题，并提出了改进的算法［1，2］，但是可靠性问题从原理上讲不可能完全解决.

在音视频数据传送时，一定程度丢包率是允许的，不会对会话质量造成很大的影响.但是传送控制信息时，需要用重发的方法来解决丢包问题.重发涉及到重发的最大次数、每次重发的时间间隔，以及状态机改变状态后才收到的(迟来的)应答包的处理方式等，这是异步操作必然要碰到的问题.一般的网络程序，往往需要同时处理一些并发的网络通讯任务，比如A终端与B终端进行视频会话，同时A终端还可能发送文件给C终端.

1 智能定时器的特点

定时器在过程控制中广泛使用，针对一些特定的应用环境，研究者们提出了相应的方案和研究成果［3-8］，本文重点研究智能定时器的软件实现.大多数情况下，程序中使用固定间隔值的定时器即可满足定时的目的.VC、QT、JAVA等程序设计语言，无一例外实现了定时器类，提供了启动、停止、设置定时间隔值等方法，一般有一次性定时和重复定时两种定时模式.但是，这些定时器不能满足复杂的定时需求.例如运用于退避算法，定时间隔需要变化、然后定时间隔再趋于稳定的定时需求.而且，在不同场合间隔的变化方式也是不一样的.为此，本文设计了一种称之为智能定时器的C++类，来解决这个问题.

1.1 智能定时器类的设计

该定时器类的组成并不复杂，具体包括:一个数组、一个用于存放该数组元素个数的整数、一个时间戳、一个计数器、一个最大重试次数、判断是否超时的函数，以及判断是否重试的函数.

数组用来存放定时的间隔(超时值)，也即每一次重试等待的时间.数组长度可长可短，由重试的频度变化策略决定，比如发送一个UDP包后，如果没收到应答，则需要按 2s、4s、8s、16s、16s 这样的间隔重发，那么该数组就是［0，2，4，8，16，16］.由于数组是由构造函数的参数传入的，构造函数得到的是该数组的地址，在函数中无法求得其元素个数，所以需要将元素个数也作为参数传入构造函数.在构造函数中，将数组地址及其元素个数保存到成员变量中.

时间戳用来存放上次重试(重发)的系统时间.计数器用来统计重试的次数.最大重试次数用来判断是否超时，这里的超时表示重试结束.如果最大重试次数为0，则表示需要无限次重试.

如果计数器大于最大重试次数，并且最大重试次数大于0，则表示已经超时.判断是否需要重试的方法是，取出当前计数器对应数组元素的值，然后用当前系统时间减去时间戳的值，如果差值大于等于数组元素值，则表示需要重试.此时，将当前系统时间赋值给时间戳，作为下次判断的依据.

定时器类的设计具体如下:

1.2 智能定时器工作原理

上文所述的定时器是一个被动对象，也即没有自己的线程，需要在定时器线程以及状态机的配合下才能发挥作用.没有设计自己的线程，是为了节省系统的开销.因为一个稍微复杂的系统，可能需要多个定时器，如果每个定时器都有一个线程在运行，总体上会增加CPU空转的时间.

状态机一般是指有限状态机，由一系列的状态、事件、条件、动作组成.在某一时刻，状态机只能处于某个状态，称为当前状态.当发生某个事件时，如果条件满足，则状态机的状态将发生改变，这个改变称为状态转移.状态转移往往伴随着一些动作(任务)的执行.

线程是利用CPU时间片轮转来获得执行权的代码片段.在多数线程的使用中，这个代码片段会设计成循环体，只有在特殊条件下才退出循环来结束线程.每一次循环内，调用状态机处理函数，处理一次状态机.如果系统需要多个状态机，则每个状态机都处理一次，调用完所有的处理函数后是短暂的休眠.休眠的时间与定时器的精度相关，比如精度为20ms则休眠20ms，也即预定1s的定时，那么实际的定时间隔为1000～1020ms.除非是实时系统需要精确到微秒，一般的应用，精度为20～100ms就可以满足要求.

状态机处理函数因为要处理很多状态，适合用switch…case构建，该函数被调用时，执行的代码是状态机当前状态的case，在此状态中，如果有重传，或者超时状态转移的需求，则可分别调用isNextStep()和isTimeOut()来判断.当isTimeOut返回true时，表示状态机需要转移到新的状态，而isNextStep返回true时，表示在当前状态下需要重复执行某些任务.在isNextStep被调用时，计数器count和上次访问last time才会被更新.这表明，增加智能定时器只是增加少量内存的使用，不会增加系统的CPU资源消耗.

状态机的状态转移，除了超时的原因外，更多的是人机交互事件和外部系统事件触发的，比如用户点击“上线”按钮，或者是收到服务器的应答信息.

2 智能定时器运用实例的具体实现

本文以音视频会话终端软件的登录过程作为实例，来说明智能定时器的功能和运用方法.程序分终端程序和服务器端程序，均在Linux平台开发和运行，采用C++语言编程.

2.1 登录状态机

终端登录的过程用状态机表示，如图1所示.

图1 终端登录状态机Fig.1 Terminal login state machine

该状态机有“离线”、“请求登录服务器地址”、“登录请求”、“检测防火墙”、“检测 NAT”、“心跳”6个状态.除了离线状态，其余状态都使用了定时器.这些定时器中，只有在心跳状态下终端才会以固定的时间间隔发送心跳包，其余状态的终端都要按照一定的退避算法来重发数据.按退避算法的方式来重发的原因是，如果服务器忙于处理其他任务，不能及时给终端返回应答，终端应当适当放慢重试的频率;又由于终端向服务器发送的请求数据可能在网络上丢失，那么终端也不能无限制等待，希望服务器最终会返回应答.

2.2 定时间隔数组及定时器对象

根据登录过程的状态机，制定定时器策略.终端登录过程共需要3种定时器:1)登录请求定时器，分时复用于3个状态:获取登录服务器地址、登录请求、检测NAT;2)防火墙检测定时器，用于检测防火墙;3)心跳维持定时器，用于心跳包定时发送.如表1所示.

表1 定时策略表Tab.1 Timing strategy table

根据定时策略表，定义3个数组:

unsigned int tmLogin［5］={0，2000，4000，4000，8000};

unsigned int tmFwDetect［6］={0，500，1000，2000，4000，8000};

unsigned int tmHeartBeat［2］={0，16000};

然后，声明智能定时器实例，构造函数中传入数组及其元素个数:

startTimer stLogin(tmLogin，sizeof(tmLogin)/sizeof(tmLogin［0］));

startTimer stFwDetect (tmFwDetect，sizeof(tmFwDetect)/sizeof(tmFwDetect［0］));

startTimer stHeartBeat(tmHeartBeat，sizeof(tmHeartBeat)/sizeof(tmHeartBeat［0］));

2.3 登录过程中所涉及的算法

登录过程涉及到3个算法，分别是:定时器线程、登录状态机处理函数、服务器应答处理.

(1)定时器线程算法.

Function TimerThread

pre-condition:sm is initialized to offline

1 While program not quitting do{

2 smLoginProcess();

3 sleep 100 ms;

4}

(2)登录状态机处理函数算法.

Function smLoginProcess

1switch(sm){

2 case offline:

3 break;

4 case login_server_req:

5 if(stLogin.isNextStep()){

6 send CMD_LB_LOGINSERVERREQ packet to load-balance server;

7 }

8 break;

9 case login_req:

10 if(stLogin.isTimeOut()){//如果超时则返回到login_server_req状态

11 sm=login_server_req;

12 stLogin.reset(0);

13 break;

14 }

15 if(stLogin.isNextStep()){//否则如果时间间隔已满则重发登录请求到登录服务器

16 send CMD_NAT_LOGINREQ packet to login server;

17 }

18 break;

19 case firewall_detecting:

20 如果stLogin超时(5次重试无应答)则说明有防火墙，记录防火墙特性，复位stFwDetect，设置状态为 nat_detecting.否则如果时间间隔已满则重发防火墙检测请求.

21 break;

22 case nat_detecting:

23 如果stFwDetect超时则返回login_server_req状态.否则如果时间间隔已满则重发NAT检测请求.

24 break;

25 case heat_beating:

26 如果超时则返回login_server_req状态，否则如果时间间隔已满则重发心跳包.

27 break;

28 }

(3)服务器应答处理算法片段.

Function onServerAck(char*pkt)

1 switch(cmd in pkt){//所有服务器返回的应答包中均含有cmd(命令字)

2case CMD_LB_LOGINSERVERACK:

3 if(login_server_req){//该应答包只有在login_server_req状态下才有效

4 sm=login_req;//更新状态机的当前状态为login_req

5 stLogin.reset(10);//重置定时器 stLogin，表示在login_req状态最多重发10次.

6 get ip，port of login server from pkt;//取得应答包中所含登录服务器的地址

7 }

8 break;

9case CMD_NAT_LOGINACK:

10 …(略)

由于篇幅所限，不能完整描述这3个算法对所有状态和所有服务器应答包的处理情况，以下重点介绍终端由offline(离线)状态和login_server_req(获取登录服务器地址)状态相关的处理.

首先需要注意的是定时器线程算法TimerThread，该线程每隔100ms会执行一次状态机处理函数smLoginProcess.

终端程序初始化后，状态机处于offline(离线).在offline状态，smLoginProcess处理函数不做任何操作，立即返回(第3行代码).只有人机交互才能改变offline的状态，比如通过按钮发出“上线”请求，相应的代码会将状态机的状态由offline转移到login_server_req，并调用 stLogin.reset(0)复位定时器，也即在该状态下将无限次地重试，直到从负载均衡服务器取到登录服务器地址为止.

状态机处理函数smLoginProcess对login_server_req状态的处理见 4～8行.在此调用 stLogin.isNextStep来判断是否该发送CMD_LB_LOGINSERVERREQ到负载均衡服务器.在smartTimer的isNextStep代码中可以看到，如果当前时间减去上次重试的时间大于当前重试间隔值，会返回 true.在 login_server_req 状态下，stLogin.isNextStep返回true时，程序将执行第6行所示的动作，发送CMD_LB_LOGINSERVERREQ到负载均衡服务器.

如果一直没有收到负载均衡服务器的应答，则状态机处理函数将永远执行4～8行的代码.负载均衡服务器的应答在算法onServerAck的2～8行中处理，负载均衡服务器返回的应答包中包含了登录服务器的地址，这个应答包只有在终端的状态为login_server_req时才被处理，在其他状态则被忽略.处理方法是:1)状态机变为login_req;2)将定时器stLogin复位为10 次超时，这10 次的间隔值分别为0、2、4、4、8、8、8、8、8、8s;3)从应答包中取出登录服务器的地址.

状态机处理函数smLoginProcess对login_req状态的处理见9～18行.先调用stLogin.isTimeOut，如果超时则状态回转到login_server_req重新取登录服务器地址.如果没有超时，则调用stLogin.isNextStep判断是否需要重试发送登录请求.

以上3个算法组成的代码框架，除了实现数据重发，也体现了并发、同步操作的理念.终端发出请求包，服务器返回应答包是异步操作，不能设计成函数调用得到返回值的方式.smLoginProcess中发送请求，而在onServerAck中处理应答，使用了异步处理的模式.终端完成登录后进入心跳状态，在心跳状态终端每16s向服务器发送一次心跳包.如果用户发起音视频会话，那么心跳包和会话信令包以及音视频数据包就需要并发处理.

3 结语

本文介绍了一种能够处理复杂状态机和程序逻辑的智能定时器，该智能定时器以一个类的形式进行封装.智能定时器实例化时，从构造函数传入预设的定时数组，数组的元素个数可根据需要进行设定，每个元素的值代表某个操作重复执行的等待时间.该智能定时器属于被动对象(没有自己的线程)，因此需要在线程中去查询是否重复执行某操作，或者去查询是否超时.本文所用的定时器线程和状态机处理函数，是支撑智能定时器的线程、状态机处理的典型代码框架.千变万化的状态机模型，均可按照此框架来构建程序.最后实现了将智能定时器应用于实时通讯软件系统的登录过程，实验结果表明所设计的智能定时器能精确控制UDP包的重发.

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