基于UDP协议的可靠数据传输的实现

许坤　赵亮

摘   要：UDP协议提供面向操作的简单而非可靠的数据传输服务。为了同时获得数据传输的高效性和可靠性，本文仿照TCP协议，在应用层建立报文确认与超时重发机制，基于UDP协议设计了一种可靠的数据传输方法并在工程项目中得到了应用。本文对两种协议的特点进行了探讨，基于UDP协议设计了一种可靠的数据传输方法并在工程项目中得到了应用。

关键词：UDP  可靠传输  报文确认与超时重发机制

中图分类号：TP3017                               文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）06（b）-0007-02

1  概述

随着计算机网络技术的快速发展，网络数据传输的实时性、可靠性越来越得到重视。而数据传输的性能与选择使用的网络协议密切相关。目前应用最广泛的计算机协议是TCP/IP协议。TCP/IP协议栈中与数据传输相关的协议主要包括TCP和UDP两种。这两种协议各有优势，TCP协议面向连接，更加可靠;UDP协议面向操作，简单高效。在一些实际工程应用中，期望同时获得数据传输的实时性、高效性和可靠性。

2  UDP协议与TCP协议的比较

2.1 TCP协议的特点

TCP（传输控制协议）提供了一种面向连接的实现可靠传输的通信方式。通信双方经“三次握手”机制进入连接状态。通过设置滑动窗口，接收方只允许发送方发送其缓冲区能够容纳的数据，实现流量控制。发送方对用户数据进行分片，由接收方对分片进行重组排序。接收方对收到的数据进行校验，如果数据校验和有差错，则丢弃该数据。若数据校验无误，则接收方向发送方发出确认信息;而发送方在发出数据后启动定时器，若超时未收到确认信息则向接收方重新发出数据。

2.2 UDP协议的特点

UDP（用户数据报协议）提供了一种面向操作的简单而非可靠的数据传输服务。数据发送时没有建立明确的连接，不提供可靠性，也不提供报文确认、分片与重组排序以及流量控制等功能。UDP只负责把应用层传来的数据包发送出去，但不保证数据能达到目的地。因此存在数据包丢失、重复和乱序的可能性。接收端进行数据校验，并丢弃校验和有差错的数据，这与TCP是相同的。

2.3 UDP与TCP协议的比较

简而言之，UDP与TCP协议的差异，见表1。

表1可见，在数据传输的可靠性上，TCP具有显而易见的优势。由于建立了明确的连接，加上有确认与超时重发、流量控制等功能，端与端之间进行数据传输稳定可靠。这样的通信方式比较适合于网络环境复杂的广域网，数据传输可能跨越多个不可预知的网段的场合。然而，如果我们的应用是在网络环境简单明确、各网段因素可预知的局域网，或者当我们更加强调数据的快速传输而不是数据的完整性时，UDP是更合适的通信协议。它的优势体现在以下几点。

（1）充分利用局域网本身的可靠性，无需连接，节省系统开销;

（2）不存在分片与重组管理，节省系统开销;

（3）无需对数据分片进行确认，提高了网络使用效率;

（4）支持组播和广播，提高了数据传输效率。

对局域网而言，在实际工程应用中，我们可以借鉴TCP的一些特点，在UDP的应用层进行改进，从而在实现数据高效传输的同时，提高数据传输的可靠性。

3  UDP协议下数据可靠传输的思路

对于网络拓扑结构比较简单的局域网来说，各段网路的性能参数是可知的，通信质量可预测，可靠性比较好，因此在进行网络数据传输时建立连接的步骤可以省略。当网络环境处于较差状态下，可能会存在小概率的丢包问题。解决这一问题的方法，是仿照TCP协议，在应用层建立报文确认与超时重发机制。

所谓报文确认与超时重发机制，就是当接收方收到来自发送方的数据报文后，立即反馈一条确认报文给发送方;发送方发出数据报文后，开启计时器;当计时达到某一时长仍未收到对应的确认报文，则重新发出数据报文。采取多次重发的方法，可以解决偶发性的丢包问题。

4  UDP协议下数据可靠传输的实现

4.1 报文结构设置

把UDP数据报分为两种：数据报文与确认报文。数据报文负责传递业务信息，确认报文负责对收到的数据报文进行应答。数据报文结构定义见表2。（字段1-3为报文头）

确认报文只包含上表中所示的报文头，不包含数据字段。

对于发出的报文，序列号从1开始，依次递增（对于超时重发的报文则保持原序列号），到255再循环回到1。当发出数据报文时，报文中的确认号设置为0;当发出确认报文时，确认号设置为接收到的数据报文的序列号。

4.2 報文确认与超时重发机制的实现

首先建立两个环形数据缓冲区：报文缓冲区、超时缓冲区，同时启动一个定时器。报文缓冲区存放待确认报文，超时缓冲区存放超时表。定时器周期性发出消息用于报文超时重发的倒计时。超时表是记录数据报文的重发次数和超时值的数据结构，其结构定义见表3。应用程序对发出的每条数据报文维护一个超时表，当发出的数据报文得到接收方的确认反馈，则把超时表从超时缓冲区中移除。

报文确认与超时重发机制的相关流程如下。

（1）发出数据报文，同时把该数据报文投入报文缓冲区，把该报文对应的超时表投入超时缓冲区。超时表中重发次数设置为初始值0，超时值根据需要而定，比如100ms。

（2）收到一条报文时，先判断确认号（假设为ACK）。若ACK为0，表示收到的是数据报文，根据数据报文的序列号sn，立即反馈一条确认报文，其确认号设置为等于sn。若ACK非0，表示收到的是确认报文，下一步操作是在报文缓冲区中搜索序列号等于ACK的待确认报文，并从缓冲区中移除该报文，同时在超时缓冲区中搜索序列号等于ACK的超时表，并从缓冲区中移除该超时表。

（3）周期性发出消息，而应用程序响应这个消息，对超时缓冲区中每个超时表的超时值进行倒计时更新，一旦某个超时表的超时值归0，则应用程序将判断其重发次数N：若N=0或1，则N自加1，而超时值更新为100ms（根据需要而定），并从报文缓冲区中提取与超时表序列号对应的数据报文重新发出;若N=2，则把报文缓冲区中与该超时表序列号对应的数据报文移除，把该超时表从超时缓冲区中移除。

按照上述方法设计的程序，应用于某工程项目中，在局域网环境比较恶劣、报文拥塞的情况下，测试了数据报文的丢包率，结果丢包率为0，达到了预期目的。

5  结语

引进报文确认与超时重发机制，有效改善了UDP协议下数据传输的可靠性，在特定局域网环境中，同时获得了实时高效与可靠传输的特性。在实际工程应用中，报文重发次数、重发超时时间、定时器消息周期等参数，可根据需要进行设定。

参考文献

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