如何让UDP实现可靠传输

2018/10 28 12:10

如何让UDP实现可靠传输

如何让UDP实现可靠传输

自定义通讯协议,在应用层定义一些可靠的协议,比如检测包的顺序,重复包等问题,如果没有收到对方的ACK,重新发包

UDP没有Delievery Garuantee,也没有顺序保证,所以如果你要求你的数据发送与接受既要高效,又要保证有序,收包确认等,你就需要在UDP协议上构建自己的协议。比如RTCP,RTP协议就是在UPD协议之上专门为H.323协议簇上的IP电话设计的一种介于传输层和应用层之间的协议。

下面分别介绍三种使用UDP进行可靠数据传输的协议
RUDP
RTP
UDT

RUDP(Reliable User Datagram Protocol)
可靠用户数据报协议(RUDP)是一种基于可靠数据协议(RDP: RFC908 和 1151 (第二版))的简单分组传输协议。作为一个可靠传输协议,RUDP 用于传输 IP 网络间的电话信号。它允许独立配置每个连接属性,这样在不同的平台可以同时实施不同传输需求下的协议。
RUDP 提供一组数据服务质量增强机制,如拥塞控制的改进、重发机制及淡化服务器算法等,从而在包丢失和网络拥塞的情况下, RTP 客户机(实时位置)面前呈现的就是一个高质量的 RTP 流。在不干扰协议的实时特性的同时,可靠 UDP 的拥塞控制机制允许 TCP 方式下的流控制行为。
为了与网络 TCP 通信量同时工作,
RUDP 使用类似于 TCP 的重发机制和拥塞控制算法
在最大化利用可用带宽上,这些算法都得到了很好的证明。
RUDP特性
客户机确认响应服务器发送给客户机的包;
视窗和拥塞控制,服务器不能超出当前允许带宽;
一旦发生包丢失,服务器重发给客户机;
比实时流更快速,称为“缓存溢出”。
用户数据报协议(UDP)

RTP(Real Time Protocol)
RTP,实时协议被用来为应用程序如音频,视频等的实时数据的传输提供端到端(end to end)的网络传输功能。传输的模型可以是单点传送或是多点传送。数据传输被一个姐妹协议——实时控制协议(RTCP)来监控,后者允许在一个大的多点传送网络上监视数据传送,并且提供最小限度的控制和识别功能。
RTP是被IETF在RFC1889中提出来的。顺带提及,RTP已经被接受为实时多媒体传送的通用标准。ITU-T跟IETF都在各自的系统中将这一协议标准化。

1.1 为何需要RTP?
TCP不能支持像交互视频,会议等的实时服务,这一原因是由于TCP只是一个“慢”协议,需要三次握手。就此在IP层上UDP是一个比TCP更好的选择。但是UDP是本质上是一个不可靠协议,不支持在包丢情况下的重传机制。诚然,UDP有一些特性,比如多路复用跟校验和服务,这些都是对实时服务很有利的。为了消除UDP的缺点,RTP是作为应用层而被提出来的。
RTP提供的各种服务包括有效负载识别,序列编号,时间戳和投递监听。RTP能够序列化包,当这些包在收端不是按顺序到达的时。序列号也能被用来识别包丢失。时间戳被用于媒体有效的播放。到达的数据一直被RTCP监听,以通知RTP层来校正其编码和传输的参数。例如,如果RTCP层检测到包丢失,它会通知RTP层减缓发送速率。
尽管RTP有助于实时媒体的有效的播放,但是要注意的是RTP自身并不提供任何机制来确保及时传递或提供其他服务质量(QoS)的保证,而是依靠低层服务来完成这些。同样,RTP也不保证投递或防止无序投递。RTP被设计出来主要是为了满足有多个参加者的多媒体会议的需要。RTP也同样适合于象持续数据的储存,分布式交互仿真,主动标记以及应用程序的控制和测量。

1.2 RTP特性一览
RTP提供有效负荷类型识别,乱序重排和利用时间戳的媒体有效播放。
RTCP监控服务质量,也提供在一个当前进行的会话中传送关于参加者的信息作用。
RTP对于下层协议是独立的,它能够工作在像TCP/IP,ATM,帧时延等类型的网络上。
如果被下层网络支持,RTP支持利用多路技术的对于多点的数据传输。
RTP序列号也能被用来确定包的合适位置。例如在视频解码,包无需按序解码。

2.0 技术概览
2.1 RTP
RTP头具有如下的格式。开始的12个八位字节在每一个RTP包中都会出现;而CSRC标识符列表只在通过混合器的包中出现.

Version (V) (版本号):这个域长度为2比特,标出了RTP的最近版本。当前的版本为2.0
Padding (P) (填充):这个域长度为1比特,如果P被置位,包在结尾处包含有一个或多个附加的填充字节,这些填充字节不是有效负荷的一部分。填充是一些需要固定块大小的加密算法所要求的,或是为了在低层PDU搬运RTP包。
Extension (X):这个域长度为1比特,如果被置位,固定的头后面紧跟了一个头的扩展。
CSRC count (CC):这个域长度为4比特。这个域表示了跟在固定头后面的CSRC标识符的数目。如前所述,这个域只有在通过一个混合器才有非零值。
Marker bit (M): 这个域长度为1比特,如果M被置位,表示一些重要的项目如帧边界在包中被标记。例如,如果包中有几个比特的当前帧,连同前一帧,那么RTP的这一位就被置位。
Payload type (PT) (有效负荷类型):这个域长度为7比特,PT指示的是有RTP包中的有效负荷的类型。RTP音频视频简介(AVP)包含了一个默认的有效负荷类型码到有效负荷格式的映射。附加的有效负荷类型可以向IANA注册。
Sequence number(序列号):这个域长度为16个比特,每送一个RTP包数目就增加一,初始值被设为一个随机数。接收方不仅可以用这个序列号检测包丢失,也可以重组包序列。
Time stamp(时间戳):这个域长度为32个比特,时间戳反映了RTP数据包的头一个字节的采样时刻。采样时刻必须是由一个单调线性增加的时钟产生,这样做是为了接收方的同步和抖动计算。初始值必须为随机数,这是为了避免对原码的攻击。例如,如果RTP源使用了一个编码器,缓冲20ms的音频数据,那么RTP时间戳必须每个包增加160,无论包是被传递了还是被丢失了。
SSRC:这个域长度为32比特,这个域表示了正在为会话产生RTP包的源。这个标识符是随机选中的,目的是为了避免同一个RTP会话中两个源有相同的标识符。
CSRC list: 这个列表标识了在这个包中对有效负荷起作用的所有源。标识符的最大数目限定为15,这是由CC域所限定的(全零在CC域中是被禁止的)。如果有超过15个的分配源,只有前15个被标识。
仔细观察RTP可以注意到它不像更低层的协议比如PDU一样,包含一个“定边界”的域。这一原因是RTP的有效负荷是跟IP的有效负荷相同,因此也就不需要了。
如果相同的用户在一个会话中使用多个媒体,比如说视频跟音频,每个媒体都会打开单独的RTP会话。因此在RTP层面上不存在多路复用。多路复用由更低层来决定。但是RTCP保留了一个叫CNAME的标识符,这个标识符对于由同一用户初始化的媒体是相同的。因此CNAME是在RTP层面上能识别从一个用户产生的不同媒体的唯一的标识符。

UDT(UDP-based Data Transfer Protocol)
基于UDP的数据传输协议(UDP-based Data Transfer Protocol,简称UDT)是一种互联网数据传输协议。UDT的主要目的是支持高速广域网上的海量数据传输,而互联网上的标准数据传输协议TCP在高带宽长距离网络上性能很差。 顾名思义,UDT建于UDP之上,并引入新的拥塞控制和数据可靠性控制机制。UDT是面向连接的双向的应用层协议。它同时支持可靠的数据流传输和部分可靠的数据报传输。 由于UDT完全在UDP上实现,它也可以应用在除了高速数据传输之外的其它应用领域,例如点到点技术(P2P),防火墙穿透,多媒体数据传输等等。

UDT是双工的,每个UDT实体有两个部分:发送和接收。发送者根据流量控制和速率控制来发送(和重传)应用程式数据。接收者接收数据包和控制包,并根据接收到的包发送控制包。发送和接收程式共享同一个UDP端口来发送和接收。
接收者也负责触发和处理任何的控制事件,包括拥塞控制和可靠性控制和他们的相对机制,例如RTT估计、带宽估计、应答和重传。
UDT总是试着将应用层数据打包成固定的大小,除非数据不够这么大。和TCP相似的是,这个固定的包大小叫做MSS(最大包大小)。由于期望UDT用来传输大块数据流,我们假定只有很小的一部分不规则的大小的包在UDT session中。MSS能够通过应用程式来安装,MTU是其最优值(包括任何包头)。
UDT拥塞控制算法将速率控制和窗口(流量控制)合并起来,前者调整包的发送周期,后者限制最大的位被应答的包。在速率控制中使用的参数通过带宽估计技术来更新,他继承来自基于接收的包方法。同时,速率控制周期是估计RTT的常量,流控制参数依赖于对方的数据到达速度,另外接收端释放的缓冲区的大小。

UDP构建可靠数据传输
简单来讲,要使用UDP来构建可靠的面向连接的数据传输,就要实现类似于TCP协议的超时重传,有序接受,应答确认,滑动窗口流量控制等机制,等于说要在传输层的上一层(或者直接在应用层)实现TCP协议的可靠数据传输机制,比如使用UDP数据包+序列号,UDP数据包+时间戳等方法,在服务器端进行应答确认机制,这样就会保证不可靠的UDP协议进行可靠的数据传输,不过这好像也是一个难题!

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