TCP和UDP如何實(shí)現(xiàn)可靠性傳輸

一、udp與tcp的區(qū)別：

TCP（TransmissionControl Protocol 傳輸控制協(xié)議）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。

UDP是User Datagram Protocol，一種無(wú)連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務(wù)的簡(jiǎn)單不可靠信息傳送服務(wù)?？煽啃杂缮蠈討?yīng)用實(shí)現(xiàn)，所以要實(shí)現(xiàn)udp可靠性傳輸，必須通過(guò)應(yīng)用層來(lái)實(shí)現(xiàn)和控制。

二、TCP如何實(shí)現(xiàn)可靠性傳輸：

可靠性：

應(yīng)用數(shù)據(jù)被分割成TCP認(rèn)為最適合發(fā)送的數(shù)據(jù)塊。這和UDP完全不同，應(yīng)用程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度將保持不變。由TCP傳遞給IP的信息單位稱為報(bào)文段或段（segment）。

當(dāng)TCP發(fā)出一個(gè)段后，它啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，等待目的端確認(rèn)收到這個(gè)報(bào)文段。如果不能及時(shí)收到一個(gè)確認(rèn)，將重發(fā)這個(gè)報(bào)文段。當(dāng)TCP收到發(fā)自TCP連接另一端的數(shù)據(jù)，它將發(fā)送一個(gè)確認(rèn)。TCP有延遲確認(rèn)的功能，在此功能沒有打開，則是立即確認(rèn)。功能打開，則由定時(shí)器觸發(fā)確認(rèn)時(shí)間點(diǎn)。

TCP將保持它首部和數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和。這是一個(gè)端到端的檢驗(yàn)和，目的是檢測(cè)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的任何變化。如果收到段的檢驗(yàn)和有差錯(cuò)，TCP將丟棄這個(gè)報(bào)文段和不確認(rèn)收到此報(bào)文段（希望發(fā)端超時(shí)并重發(fā)）。

既然TCP報(bào)文段作為IP數(shù)據(jù)報(bào)來(lái)傳輸，而IP數(shù)據(jù)報(bào)的到達(dá)可能會(huì)失序，因此TCP報(bào)文段的到達(dá)也可能會(huì)失序。如果必要，TCP將對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序，將收到的數(shù)據(jù)以正確的順序交給應(yīng)用層。

既然IP數(shù)據(jù)報(bào)會(huì)發(fā)生重復(fù)，TCP的接收端必須丟棄重復(fù)的數(shù)據(jù)。

TCP還能提供流量控制。TCP連接的每一方都有固定大小的緩沖空間。TCP的接收端只允許另一端發(fā)送接收端緩沖區(qū)所能接納的數(shù)據(jù)。這將防止較快主機(jī)致使較慢主機(jī)的緩沖區(qū)溢出。

重傳策略：

TCP協(xié)議用于控制數(shù)據(jù)段是否需要重傳的依據(jù)是設(shè)立重發(fā)定時(shí)器。在發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)段的同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)重傳，如果在重傳超時(shí)前收到確認(rèn)(Acknowlegement)就關(guān)閉該重傳，如果重傳超時(shí)前沒有收到確認(rèn)，則重傳該數(shù)據(jù)段。在選擇重發(fā)時(shí)間的過(guò)程中，TCP必須具有自適應(yīng)性。它需要根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)時(shí)的通信情況，給出合適的重發(fā)時(shí)間。

這種重傳策略的關(guān)鍵是對(duì)定時(shí)器初值的設(shè)定。采用較多的算法是Jacobson于1988年提出的一種不斷調(diào)整超時(shí)時(shí)間間隔的動(dòng)態(tài)算法。其工作原理是：對(duì)每條連接TCP都保持一個(gè)變量RTT（Round Trip Time），用于存放當(dāng)前到目的端往返所需要時(shí)間最接近的估計(jì)值。當(dāng)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)段時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)連接的定時(shí)器，如果在定時(shí)器超時(shí)前確認(rèn)到達(dá)，則記錄所需要的時(shí)間（M），并修正[2] RTT的值，如果定時(shí)器超時(shí)前沒有收到確認(rèn)，則將RTT的值增加1倍。通過(guò)測(cè)量一系列的RTT（往返時(shí)間）值，TCP協(xié)議可以估算數(shù)據(jù)包重發(fā)前需要等待的時(shí)間。在估計(jì)該連接所需的當(dāng)前延遲時(shí)通常利用一些統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理和算法（如Karn算法），從而得到TCP重發(fā)之前需要等待的時(shí)間值。

窗口確認(rèn)：

TCP的一項(xiàng)功能就是確保每個(gè)數(shù)據(jù)段都能到達(dá)目的地。位于目的主機(jī)的TCP服務(wù)對(duì)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)，并向源應(yīng)用程序發(fā)送確認(rèn)信息。使用數(shù)據(jù)報(bào)頭序列號(hào)以及確認(rèn)號(hào)來(lái)確認(rèn)已收到包含在數(shù)據(jù)段的相關(guān)的數(shù)據(jù)字節(jié)。

TCP在發(fā)回源設(shè)備的數(shù)據(jù)段中使用確認(rèn)號(hào)，指示接收設(shè)備期待接收的下一字節(jié)。這個(gè)過(guò)程稱為期待確認(rèn)。

源主機(jī)在收到確認(rèn)消息之前可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的大小稱為窗口大小。用于管理丟失數(shù)據(jù)和流量控制。

三、udp如何實(shí)現(xiàn)可靠性傳輸：

UDP它不屬于連接型協(xié)議，因而具有資源消耗小，處理速度快的優(yōu)點(diǎn)，所以通常音頻、視頻和普通數(shù)據(jù)在傳送時(shí)使用UDP較多，因?yàn)樗鼈兗词古紶杹G失一兩個(gè)數(shù)據(jù)包，也不會(huì)對(duì)接收結(jié)果產(chǎn)生太大影響。

傳輸層無(wú)法保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，只能通過(guò)應(yīng)用層來(lái)實(shí)現(xiàn)了。實(shí)現(xiàn)的方式可以參照tcp可靠性傳輸?shù)姆绞剑皇菍?shí)現(xiàn)不在傳輸層，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移到了應(yīng)用層。

實(shí)現(xiàn)確認(rèn)機(jī)制、重傳機(jī)制、窗口確認(rèn)機(jī)制。

如果你不利用Linux協(xié)議棧以及上層socket機(jī)制，自己通過(guò)抓包和發(fā)包的方式去實(shí)現(xiàn)可靠性傳輸，那么必須實(shí)現(xiàn)如下功能：

發(fā)送：包的分片、包確認(rèn)、包的重發(fā)

接收：包的調(diào)序、包的序號(hào)確認(rèn)

目前有如下開源程序利用udp實(shí)現(xiàn)了可靠的數(shù)據(jù)傳輸。分別為RUDP、RTP、UDT。

RUDP：

RUDP 提供一組數(shù)據(jù)服務(wù)質(zhì)量增強(qiáng)機(jī)制，如擁塞控制的改進(jìn)、重發(fā)機(jī)制及淡化服務(wù)器算法等，從而在包丟失和網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下， RTP 客戶機(jī)（實(shí)時(shí)位置）面前呈現(xiàn)的就是一個(gè)高質(zhì)量的 RTP 流。在不干擾協(xié)議的實(shí)時(shí)特性的同時(shí)，可靠 UDP 的擁塞控制機(jī)制允許 TCP 方式下的流控制行為。

RTP：

實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（RTP）為數(shù)據(jù)提供了具有實(shí)時(shí)特征的端對(duì)端傳送服務(wù)，如在組播或單播網(wǎng)絡(luò)服務(wù)下的交互式視頻音頻或模擬數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序通常在 UDP 上運(yùn)行 RTP 以便使用其多路結(jié)點(diǎn)和校驗(yàn)服務(wù)；這兩種協(xié)議都提供了傳輸層協(xié)議的功能。但是 RTP 可以與其它適合的底層網(wǎng)絡(luò)或傳輸協(xié)議一起使用。如果底層網(wǎng)絡(luò)提供組播方式，那么 RTP 可以使用該組播表傳輸數(shù)據(jù)到多個(gè)目的地。

RTP 本身并沒有提供按時(shí)發(fā)送機(jī)制或其它服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證，它依賴于底層服務(wù)去實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。RTP 并不保證傳送或防止無(wú)序傳送，也不確定底層網(wǎng)絡(luò)的可靠性。RTP 實(shí)行有序傳送， RTP 中的序列號(hào)允許接收方重組發(fā)送方的包序列，同時(shí)序列號(hào)也能用于決定適當(dāng)?shù)陌恢?，例如：在視頻解碼中，就不需要順序解碼。

UDT：

基于UDP的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（UDP-basedData Transfer Protocol，簡(jiǎn)稱UDT）是一種互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。UDT的主要目的是支持高速?gòu)V域網(wǎng)上的海量數(shù)據(jù)傳輸，而互聯(lián)網(wǎng)上的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議TCP在高帶寬長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)上性能很差。顧名思義，UDT建于UDP之上，并引入新的擁塞控制和數(shù)據(jù)可靠性控制機(jī)制。UDT是面向連接的雙向的應(yīng)用層協(xié)議。它同時(shí)支持可靠的數(shù)據(jù)流傳輸和部分可靠的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸。由于UDT完全在UDP上實(shí)現(xiàn)，它也可以應(yīng)用在除了高速數(shù)據(jù)傳輸之外的其它應(yīng)用領(lǐng)域，例如點(diǎn)到點(diǎn)技術(shù)（P2P），防火墻穿透，多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊取?/p>

因項(xiàng)目中的需要，現(xiàn)在詳細(xì)分析一下UDT是如何通過(guò)udp實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。通過(guò)閱讀源碼的方式。

四、UDT原理分析：

主要通過(guò)分析源碼來(lái)弄清楚如何利用udp實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠性傳輸，主要按照協(xié)議格式、關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等展開。

UDT應(yīng)用層協(xié)議：

UDT并不是在瓶勁帶寬相對(duì)較小的和大量多元短文檔流的情況下用來(lái)取代TCP的。

UDT主要作為TCP的朋友，和TCP并存，UDT分配的帶寬不應(yīng)該超過(guò)根據(jù)MAX-MIN規(guī)則的最大最小公平共享原則。（備注，最大最小規(guī)則允許UDT在高BDP連接下分配TCP不能使用的可用帶寬）。

UDT是雙工的，每個(gè)UDT實(shí)體有兩個(gè)部分：發(fā)送和接收。

發(fā)送者根據(jù)流量控制和速率控制來(lái)發(fā)送（和重傳）應(yīng)用程式數(shù)據(jù)。

接收者接收數(shù)據(jù)包和控制包，并根據(jù)接收到的包發(fā)送控制包。發(fā)送和接收程式共享同一個(gè)UDP端口來(lái)發(fā)送和接收。

接收者也負(fù)責(zé)觸發(fā)和處理任何的控制事件，包括擁塞控制和可靠性控制和他們的相對(duì)機(jī)制，例如RTT估計(jì)、帶寬估計(jì)、應(yīng)答和重傳。

UDT總是試著將應(yīng)用層數(shù)據(jù)打包成固定的大小，除非數(shù)據(jù)不夠這么大。和TCP相似的是，這個(gè)固定的包大小叫做MSS（最大包大?。?。由于期望UDT用來(lái)傳輸大塊數(shù)據(jù)流，我們假定只有很小的一部分不規(guī)則的大小的包在UDT session中。MSS能夠通過(guò)應(yīng)用程式來(lái)安裝，MTU是其最優(yōu)值（包括任何包頭）。

UDT擁塞控制算法將速率控制和窗口（流量控制）合并起來(lái)，前者調(diào)整包的發(fā)送周期，后者限制最大的位被應(yīng)答的包。在速率控制中使用的參數(shù)通過(guò)帶寬估計(jì)技術(shù)來(lái)更新，他繼承來(lái)自基于接收的包方法。同時(shí)，速率控制周期是估計(jì)RTT的常量，流控制參數(shù)依賴于對(duì)方的數(shù)據(jù)到達(dá)速度，另外接收端釋放的緩沖區(qū)的大小。

報(bào)文類型及格式：

UDT有兩種包：數(shù)據(jù)包和控制包。他們通過(guò)包頭的第一位來(lái)區(qū)分（標(biāo)志位）。如果是0，表示是數(shù)據(jù)包，1表示是控制包。

數(shù)據(jù)包：

數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下顯示：

包序號(hào)是UDT數(shù)據(jù)包頭中唯一的內(nèi)容。它是一個(gè)無(wú)符號(hào)整數(shù)，使用標(biāo)志位后的31位，UDT使用包基礎(chǔ)的需要，例如，每個(gè)非重傳的包都增加序號(hào)1。序號(hào)在到達(dá)最大值2^31-1的時(shí)候覆蓋。緊跟在這些數(shù)據(jù)后面的是應(yīng)用程序數(shù)據(jù)。

控制包：

控制包結(jié)構(gòu)如下：

有6種類型的控制包在UDT中，bit1-3表示這些信息。前32位在包頭中必須存在?？刂菩畔⒆侄伟?（例如，它不存在）或者多個(gè)32位無(wú)符號(hào)整數(shù)，這由包類型決定。

UDT使用應(yīng)答子序號(hào)的方法。每個(gè)ACK/ACK2包有一個(gè)無(wú)符號(hào)的16位序號(hào)，它獨(dú)立于數(shù)據(jù)包需要。它使用位16-31。應(yīng)答需要從0到（2^16-1）。位16-31在其他控制包中沒有定義。

注意，對(duì)于數(shù)據(jù)和控制包來(lái)說(shuō)，可以從UDP協(xié)議頭中得到實(shí)際的包大小。包大小信息能被用來(lái)得到有效的數(shù)據(jù)負(fù)載和NAK包中的控制信息字段大小。

定時(shí)器：

UDT在接收端使用4個(gè)定時(shí)器來(lái)觸發(fā)不同的周期事件，包括速率控制、應(yīng)答、丟失報(bào)告（negative應(yīng)答）和重傳/連接維護(hù)。

UDT中的定時(shí)器使用系統(tǒng)時(shí)間作為源。UDT接收端主動(dòng)查詢系統(tǒng)時(shí)間來(lái)檢查一個(gè)定時(shí)器是否過(guò)期。對(duì)于某個(gè)定時(shí)器T來(lái)說(shuō)，其擁有周期TP，將定變量t用來(lái)記錄最近T被設(shè)置或復(fù)位的時(shí)間。如果T在系統(tǒng)時(shí)間t0（t= t0）被復(fù)位，那么任何t1（t1-t>=TP）是T過(guò)期的條件。

四個(gè)定時(shí)器是：RC定時(shí)器、ACK定時(shí)器、NAK定時(shí)器、EXP定時(shí)器。他們的周期分別是：RCTP、ATP、NTP、ETP。

RC定時(shí)器用來(lái)觸發(fā)周期性的速率控制。ACK定時(shí)器用來(lái)觸發(fā)周期性的有選擇的應(yīng)答（應(yīng)答包）。RCTP和ATP是常量值，值為：RCTP=ATP=0.01秒。

NAK被用來(lái)觸發(fā)negative應(yīng)答（NAK包）。重傳定時(shí)器被用來(lái)觸發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)包的重傳和維護(hù)連接狀態(tài)。他們周期依賴于對(duì)于RTT的估計(jì)。ETP值也依賴于連續(xù)EXP時(shí)間溢出的次數(shù)。推薦的RTT初始值是0.1秒，而NTP和ETP的初始值是：NTP=3RTT，ETP=3RTT+ATP。

在每次bounded UDP接收操作（如果收到一個(gè)UDP包，一些額外的必須的數(shù)據(jù)處理時(shí)間）時(shí)查詢系統(tǒng)時(shí)間來(lái)檢查四個(gè)定時(shí)器是否已經(jīng)過(guò)期。推薦的周期粒度是微秒。UDP接收時(shí)間溢出值是實(shí)現(xiàn)的一個(gè)選擇，這依賴于循環(huán)查詢的負(fù)擔(dān)和事件周期精確度之間的權(quán)衡。

速率控制事件更新包發(fā)送周期，UDT發(fā)送端使用STP來(lái)安排數(shù)據(jù)包的發(fā)送。假定一個(gè)在時(shí)間t0被發(fā)送，那么下一次包發(fā)送時(shí)間是（t0+ STP）。換句話說(shuō)，如果前面的包發(fā)送花費(fèi)了t’時(shí)間，發(fā)送端將等待（STP-t’）來(lái)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包（如果STP-t’ <0，就不需要等待了）。這個(gè)等待間隔需要一個(gè)高精確度的實(shí)現(xiàn)，推薦使用CPU時(shí)鐘周期粒度。

最簡(jiǎn)單的方式是在應(yīng)用層模仿傳輸層TCP的可靠性傳輸。下面不考慮擁塞處理，談?wù)勛约旱膫€(gè)人簡(jiǎn)單粗暴的設(shè)計(jì)：

1、添加seq/ack機(jī)制，確保數(shù)據(jù)發(fā)送到對(duì)端。

2、添加發(fā)送和接收緩沖區(qū)，主要是用戶超時(shí)重傳。

3、添加超時(shí)重傳機(jī)制。

發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，生成一個(gè)隨機(jī)seq=x，然后每一片按照數(shù)據(jù)大小分配seq。數(shù)據(jù)到達(dá)接收端后接收端放入緩存，并發(fā)送一個(gè)ack=x的包，表示對(duì)方已經(jīng)收到了數(shù)據(jù)。發(fā)送端收到了ack包后，刪除緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

時(shí)間到后，定時(shí)任務(wù)檢查是否需要重傳數(shù)據(jù)。

如下是tcp的確認(rèn)機(jī)制

審核編輯：湯梓紅