CN101436978A - 使用udp协议进行可靠数据传输的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用UDP协议进行可靠数据传输的方法，可避免发生数据报丢失、数据包乱序到达等现象，而且可实现拥塞控制，从而实现可使用UDP协议在互联网中进行可靠的数据传输，增强P2P等互联网应用中数据传输的方便性和成功率。该方法主要包括：在发送方和接收方之间进行连接握手的步骤；在数据传输过程中，将发送方发出的数据保存到发送队列中，并在收到接收方回应后再将已发送的数据从发送队列中删除的步骤；在数据传输过程中，接收方接收到发送方发来的数据包后，按照所述数据包的序列号将有效数据放入接收缓冲中的步骤；数据发送方和接受方之间协商关闭连接的步骤。

Description

使用UDP协议进行可靠数据传输的方法

技术领域

本发明涉及一种在计算机软件和互联网中进行数据传输方法，尤其涉及一种可使用UDP协议来进行可靠数据传输的方法。

背景技术

随着互联网接入技术的变化和各种新型的互联网应用不断涌现，传统的互联网数据传输协议TCP协议和UDP协议已经不能完全的满足新型互联网应用对数据传输的需求。UDP协议并不提供数据传送的保证机制，例如如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据报的丢失，UDP协议本身并不能做出任何检测或提示，因此UDP协议通常被称为是不可靠传输协议，所以当需要在互联网中两台主机间可靠的传输数据时，人们往往会选择TCP协议来进行数据的传输。但是，在P2P等网络应用环境中，由于互联网防火墙和NAT网关的存在，两台主机间并不一定可以使用TCP协议来建立连接，从而无法进行可靠的数据传输，但在这些网络应用环境中，UDP协议却可以在两台主机间进行不可靠的数据传输。另外，由于TCP协议的连接涉及到操作系统内部的各种资源，连接的建立和释放相对于UDP协议是有一定代价的，而且某些操作系统对TCP协议的连接数量等指标进行了限制，这些都会影响TCP协议在互联网应用中的使用。因此对于P2P等网络应用来说，使用UDP协议比使用TCP协议更容易使得传输数据顺利到达目标主机。

由于UDP协议并不提供数据传送的保证机制，因此目前使用UDP协议进行数据传输时，主要存在如下三方面问题：

1、容易产生数据包丢失的现象，即UDP数据包在互联网传输过程中可能会因数据损坏或拥塞而被路由器丢弃；

2、易发生数据包乱序到达的现象，即发送方按顺序发出的UDP数据包在到达接受方时可能会顺序错乱，从而影响数据的解析；

3、没有拥塞控制能力，因此当数据包发送速度超过数据链路层的吞吐量时会导致数据包丢失，从而降低数据传输效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种使用UDP协议进行可靠数据传输的方法，可避免数据传输过程中发生数据报丢失、数据包乱序到达等现象，而且可以实现拥塞控制的功能，从而实现基于UDP协议的可靠数据传输。

为解决上述技术问题，本发明提供一种使用UDP协议进行可靠数据传输的方法，包括：

(1)在发送方和接收方之间进行连接握手的步骤；

(2)在数据传输过程中，将发送方发出的数据保存到发送队列中，并在收到接收方回应后再将已发送的数据从发送队列中删除的步骤；

(3)在数据传输过程中，接收方接收到发送方发来的数据包后，按照所述数据包的序列号将有效数据放入接收缓冲中的步骤；

(4)数据发送方和接受方之间协商关闭连接的步骤。

该方法还包括在执行所述步骤(1)、(2)、(3)和/或(4)时，对发送方和接收方之间传送各种数据包进行超时重传的步骤。

该方法还包括：在执行步骤(2)的过程中，发送方进行拥塞探测的步骤。

本发明由于采用了上述技术方案，具有这样的有益效果，即有效避免了发生数据报丢失、数据包乱序到达等现象，而且实现了拥塞控制，从而实现了可使用UDP协议在互联网中进行可靠的数据传输，尤其增强了P2P等互联网应用中数据传输的方便性和成功率。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明所述方法的一个应用实施例的数据包时序和流向示意图。

具体实施方式

本发明所述使用UDP协议进行可靠数据传输的方法包括：

首先，需在发送方和接收方之间进行连接握手的过程。该连接握手过程主要分为以下四步：第一步，发送方发送TPCMD_CONNECT命令数据包到接收方的预定UDP端口，该TPCMD_CONNECT命令数据包中应包含发送方所使用的接收队列的大小、通道号以及初始数据包的序列号。第二步，接收方收到TPCMD_CONNECT命令数据包后，向发送方发送TPCMD_CONNECT_ACK命令数据包，该TPCMD_CONNECT_ACK命令数据包中包含接收方所使用的接收队列的大小、通道号和初始数据包的序列号。第三步，发送方收到TPCMD_CONNECT_ACK命令数据包后，向接收方发送TPCMD_CONNECT_EST命令数据包，并通知上层应用程序连接建立成功。第四步，接收方收到TPCMD_CONNECT_EST命令数据包后，通知上层应用程序有新的客户端连接建立。

当在发送方和接收方之间成功建立连接后，就可以在发送方和接收方之间进行数据传送了。由于数据传送过程中，数据包在到达目标主机(即接收方)前有可能会丢失，因此需将发送方发出的数据保存到发送队列中，并在收到接收方回应后再将已发送的数据从发送队列中删除。所述数据队列可以是先进先出队列，当发送方发送数据时，需先将数据包编号后加入该数据队列的队尾，然后发送命令字为TPCMD_STREAM_FRAME的命令数据包给接收方。接收方接收到该命令字为TPCMD_STREAM_FRAME的命令数据包后，需发送命令字为TPCMD_STREAM_FRAME_ACK的UDP命令数据包回应给发送方，然后发送方再将相应序号之前所有的数据包移出发送队列。

在数据传输过程中，当接收方接收到发送方发来的数据包后，还应按照数据包序列号将有效数据放入接收缓冲中。数据在接收缓冲的位置是由数据包的序列号决定的，相邻序列号的数据被放置在一起并被合并成一个大的数据块。当接收缓冲区头部被连续数据块填充后，将所述数据块通过回调函数通知上层应用程序；然后，将接收缓冲区的头部指针向后移动；当接收缓冲区的头部指针移到接收缓冲区尾部后，将接收缓冲区的头部指针重置到缓冲区头部。

为了保证数据传输过程中，数据包不会因为拥塞而丢失，因此还应在发送方实现拥塞探测机制，该机制包括一个拥塞探测状态标志和拥塞阀值。拥塞探测状态标志为布尔型变量，用于表示当前是否在进行拥塞探测。拥塞阀值则用于限制发送队列中已经发送但未被确认的数据包的数量，以字节为单位。拥塞阀值初始值为一个最大发送单位。

在一个实施例中，所述拥塞探测机制可实现如下操作：

发送方发送数据时，首先检查拥塞探测状态标志，如果该值为“真”，则计算出第一可发送数据量，该第一可发送数据量＝拥塞阀值-发送队列中未被确认的数据包的数量。只有当该第一可发送数据量大于零时才会发送UDP数据包到接收方，并将发出的数据放入发送队列尾部。如果拥塞探测状态为“假”，则计算出第二可发送数据量，该第二可发送数据量等于发送队列的剩余空间大小。然后，将第二可发送数据量的数据发送到接收方后将数据放入发送队列尾部。接着，检查当前发送队列的大小，如果其值大于拥塞阀值大小，则将拥塞探测标志设为“真”。当发送队列中的所有数据都被确认并且没有出现超时重传的情况时，将拥塞探测标志设为“假”并将拥塞伐值增加一个最大发送单位。如果出现过超时重传的情况，在所有数据都被确认后将拥塞探测标志设为“假”并将拥塞阀值减小一个最大发送单位。

当所有数据都发送完毕后，在发送方和接受方之间还需进行协商关闭连接的步骤，具体包括以下过程：当发送方完成数据发送后，向接收方发送TPCMD_DISCONNECT命令数据包，并将自己设置为CLOSE_WAIT状态。接收方收到TPCMD_DISCONNECT命令数据包后通知上层应用程序连接通道已经关闭并向发送方发送TPCMD_DISCONNECT_ACK命令数据包，最后释放连接通道。接收方收到TPCMD_DISCONNECT_ACK命令数据包后释放连接通道。

在上述各个步骤中，发送方和接收方之间传送的各种数据包都有可能会丢失，因此在一个实施例中，本发明还可包括对发送方和接收方之间传送的上述各种数据包进行超时重传的步骤。所述各种数据包可以是连接握手过程中在发送方和接收方之间传送的各种命令数据包，或者是数据传送过程中在发送方和接收方之间传送的各个数据包，或者是关闭连接过程中在发送方和接收方之间传送的各种命令数据包等。所述超时重传的步骤可通过在发送方设置重传定时器的方式来实现。例如，在连接握手过程中，由于接收方回应的TPCMD_STREAM_FRAME_ACK数据包会有可能丢失，因此需要在发送方设置一个重传定时器，当该定时器超时后，发送方就重新发送队列头部的数据包并重置重传定时器。

如图1所示，为根据本发明所述方法的一个应用实施例，显示了发送方和接收方之间的数据包时序和流向。在该图中，由发送方主动连接到接收方，并在发送完数据后主动关闭连接。具体步骤如下：

1、发送方分配数据通道，然后发送TPCMD_CONNECT数据包到接收方的预定UDP端口。

2、接收方收到TPCMD_CONNECT数据包后分配数据通道，然后回应TPCMD_CONNECT_ACK数据包给发送方。

3、发送方收到TPCMD_CONNECT_ACK数据包后发送TPCMD_CONNECT_EST数据包给接收方，并通知上层应用程序连接建立成功。

4、接收方收到TPCMD_CONNECT_EST数据包后，通知上层应用程序有新连接到来。

5、发送方将需要发送的数据编号后放入TPCMD_STREAM_FRAME中并发送到接收方。在该过程中需要进行拥塞检测。

6、接收方收到TCPCMD_STREAM_FRAME数据包后将其中的数据放入接收缓冲区，检查接受缓冲区头部，如果有连续的数据块则通知上层应用程序有数据到达并发送TPCMD_STREAM_FRAME_ACK数据包给发送方。然后接收缓冲区向后滑动。

7、发送方收到TPCMD_STREAM_FRAME_ACK数据包后根据其中的序列号将发送队列头部的数据移出。

8、循环5至7步骤直到发送方完成所有数据发送。

9、当发送方完成数据发送后，向接收方发送TPCMD_DISCONNECT数据包，并将自己设置为CLOSE_WAIT状态。

10、接收方收到TPCMD_DISCONNECT数据包后通知上层应用程序连接通道已经关闭并向发送方发送TPCMD_DISCONNECT_ACK数据包，最后释放连接通道。

11、接收方收到TPCMD_DISCONNECT_ACK数据包后释放连接通道。

Claims (11)

1、一种使用UDP协议进行可靠数据传输的方法，其特征在于，包括：

(1)在发送方和接收方之间进行连接握手的步骤；

(2)在数据传输过程中，将发送方发出的数据保存到发送队列中，并在收到接收方回应后再将已发送的数据从发送队列中删除的步骤；

(3)在数据传输过程中，接收方接收到发送方发来的数据包后，按照所述数据包的序列号将有效数据放入接收缓冲中的步骤；

(4)数据发送方和接受方之间协商关闭连接的步骤。

2、根据权利要求1所述使用UDP协议进行可靠数据传输的方法，其特征在于，还包括在执行所述步骤(1)、(2)、(3)和/或(4)时，对发送方和接收方之间传送各种数据包进行超时重传的步骤。

3、根据权利求1所述使用UDP协议进行可靠数据传输的方法，其特征在于，还包括：在执行步骤(2)的过程中，发送方进行拥塞探测的步骤。

4、根据权利要求1至3中任一项所述使用UDP协议进行可靠数据传输的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的连接握手过程包括：

第一步，发送方发送TPCMD_CONNECT命令数据包到接收方的预定UDP端口；

第二步，接收方收到TPCMD_CONNECT命令数据包后，向发送方发送TPCMD_CONNECT_ACK命令数据包；

第三步，发送方收到TPCMD_CONNECT_ACK命令数据包后，向接收方发送TPCMD_CONNECT_EST命令数据包，并通知上层应用程序连接建立成功；

第四步，接收方收到TPCMD_CONNECT_EST命令数据包后，通知上层应用程序有新的客户端连接建立。

5、根据权利要求4所述使用UDP协议进行可靠数据传输的方法，其特征在于，所述TPCMD_CONNECT命令数据包中包含发送方所使用的接收队列的大小、通道号以及初始数据包的序列号；所述TPCMD_CONNECT_ACK命令数据包包含接收方所使用的接收队列的大小、通道号和初始数据包的序列号。

6、根据权利要求1至3中任一项所述使用UDP协议进行可靠数据传输的方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体过程如下：所述数据队列为先进先出队列，当发送方发送数据时，需先将数据包编号后加入该数据队列的队尾，然后发送命令字为TPCMD_STREAM_FRAME的命令数据包给接收方；接收方接收到该命令字为TPCMD_FRAME的命令数据包后，发送命令字为TPCMD_STREAM_FRAME_ACK的UDP命令数据包回应给发送方，然后发送方再将相应序号之前所有的数据包移出发送队列。

7、根据权利要求1至3中任一项所述使用UDP协议进行可靠数据传输的方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体过程为：所述接收缓冲的位置是由数据包的序列号决定，相邻序列号的数据放置在一起并被合并成一个数据块；当接收缓冲区头部被连续数据块填充后，将所述数据块通过回调函数通知上层应用程序；然后，将接收缓冲区的头部指针向后移动；当接收缓冲区的头部指针移到接收缓冲区尾部后，将接收缓冲区的头部指针重置到缓冲区头部。

8、根据权利要求1所述使用UDP协议进行可靠数据传输的方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括：

向接收方发送TPCMD_DISCONNECT命令数据包，并将自己设置为CLOSE_WAIT状态；接收方收到TPCMD_DISCONNECT命令数据包后通知上层应用程序连接通道已经关闭并向发送方发送TPCMD_DISCONNECT_ACK命令数据包，最后释放连接通道；接收方收到TPCMD_DISCONNECT_ACK命令数据包后释放连接通道。

9、根据权利要求2所述使用UDP协议进行可靠数据传输的方法，其特征在于，通过在发送方设置重传定时器的方式来实现所述超时重传步骤。

10、根权利要求3所述使用UDP协议进行可靠数据传输的方法，其特征在于，所述拥塞控制机制中包括一拥塞探测状态标志和一拥塞阀值；所述拥塞探测状态标志为布尔型变量，用于表示当前是否在进行拥塞探测；所述拥塞阀值以字节为单位，用于限制发送队列中已经发送但未被确认的数据包的数量。

11、根据权利要求10所述使用UDP协议进行可靠数据传输的方法，其特征在于，所述拥塞控制机制用于实现如下操作：

发送方发送数据时，首先检查所述拥塞探测状态标志，如果该值为“真”，则计算出第一可发送数据量，该第一可发送数据量＝拥塞阀值-发送队列中未被确认的数据包的数量；只有当所述第一可发送数据量大于零时才会发送数据包到接收方，并将发出的数据放入发送队列尾部；

如果所述拥塞探测状态为“假”，则计算出第二可发送数据量，所述第二可发送数据量等于发送队列的剩余空间大小；然后，将所述第二可发送数据量的数据发送到接收方后将数据放入发送队列尾部；

接着，检查当前发送队列的大小，如果该当前发送队列的大小大于拥塞阀值大小，则将所述拥塞探测标志设为“真”；而当发送队列中的所有数据都被确认并且没有出现超时重传的情况时，将所述拥塞探测标志设为“假”，并将所述拥塞伐值增加一个最大发送单位；如果出现过超时重传的情况，则在所有数据都被确认后，将所述拥塞探测标志设为“假”，并将所述拥塞阀值减小一个最大发送单位。