CN105553986B - 一种基于udp的多寻址有限实时节点通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UDP的多寻址有限实时节点通信方法。本方法为：1)客户端向连接管理器发送连接请求，包括：客户端IP地址、客户端端口号、目标服务器编号；2)连接管理器接收到该连接请求后，向该客户端返回连接参数并向目标服务器发送连接指示，包括连接序号、目标服务器IP地址、目标服务器端口号，连接指示包括连接序号、客户端IP地址、客户端端口号；3)目标服务器和该客户端互相发送连接测试数据包，连接成功后目标服务器向连接管理器返回连接结果，包括连接序号、收发双方的IP地址、端口号和成功标志位；4)客户端与目标服务器通过该传输通道进行通信。本方法能对需要可信传输的数据提供可信传输。

Description

一种基于UDP的多寻址有限实时节点通信方法

技术领域

本发明属于网络通信领域，尤其涉及一种实时性高并且需要安全可信可靠传输的网络层节点通讯方法。

背景技术

随着计算机通讯网络的技术发展和广泛应用，人们对网络传输安全保障的需求不断提高。当前日趋复杂的分布式应用在实时性、稳定性、可靠性、安全性等方面对网络传输性能提出了越来越高的要求。尤其在实时视频流和音频流的安全传输方面，一方面需要保证视频或音频数据流的实时传输，另一方面也要兼顾数据传输的可靠性和安全性。因此设计可以兼顾实时性、可靠性和安全性的网络传输协议非常必要。

目前最为成熟的实现数据通信的协议主要有两种：传输控制协议(TransmissionControl Protocol，TCP)和用户数据报文协议(User Datagram Protocol，UDP)。

TCP是一种面向连接的，通讯双方通过“三次握手”先建立连接，并基于字节流的传输层协议，它可以保证数据的正确性，当传输出现错误时能自动予以纠正。但相对传输速度较慢，网络延迟较大，建立连接时时间和系统资源开销较多，不适用于实时的数据传输，另外TCP协议不能穿透防火墙进行连接。

UDP是一种面向无连接的，即收发双方不需要先建立连接，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，当传输出现错误时会将错误信息丢弃，所以无法提供可信传输。相对传输速度较快、系统开销少，但不能保证报文到达接收端时的先后顺序与发送时一致。

针对上述应用需要，本发明提出一种用户可选的可信网络层数据通讯方法。和单纯使用UDP协议比较，本方法能对需要可信传输的数据提供可信传输，而UDP协议只能提供非可信传输，本发明可以多个连接复用一个端口，而UDP协议每个连接对应一个端口，另外本发明能够保证数据包到达的顺序，而UDP协议不能保证。在和TCP协议进行比较，TCP协议基于重传机制，网络延迟较大，不适用于实时的数据传输，另外TCP协议不能穿透防火墙进行连接。

发明内容

根据上述发展现状，本发明的目的在于提出一种基于UDP的多寻址有限实时节点通信方法。本发明能够通过直接或中转的方式通过连接管理器建立MLRUDP客户端与服务器之间连接。连接管理器可以为每个连接配置一个唯一的标识，实现端口复用和对连接的统一集中管理；可以针对单个数据包设置是否采用可信传输机制，实现选择性的可信传输；可以选择对传输中的数据进行加密以保证安全，保证数据安全；同时支持多种防火墙穿透技术。

为了达到上述目的，本发明采用了以下方案：

一种基于UDP的多寻址有限实时节点通信方法，本发明首先提供一种用户可选的可信传输通道，实现连接客户端、连接服务器和连接管理器之间端口复用的数据或加密传输。本发明具有直接连接方式和中转连接方式，可以通过连接管理器为每个连接分配一个唯一的连接序号，作为终端和连接管理器之间连接的连接编号，并由连接管理器统一进行管理，实现连接的集中管理。本发明支持多个连接复用一个UDP端口，一个连接可以包含多个互相独立的通道，不同通道互不干扰，每个通道可以传输不同的数据信息。本发明能够保证数据包传输到达的顺序，对乱序的数据包进行排序，对未收到的数据包可以要求重发。这些通过协议包头的具体标志位来实现。

本发明中的任何一段连接，发起连接的一端称为连接客户端，要连接的一端称为目标服务器端。

进一步所述直接连接方式如下所示：

1)客户端向连接管理器发送连接申请。

2)连接管理器返回连接参数。

3)连接管理器向目标服务器端发送连接指示。

4)服务器端直接向客户端发送测试连接。

5)客户端连接确认。

6)服务器端向连接管理器返回连接结果。

进一步所述中转连接方式如下所示：

1)客户端向连接管理器发送中转申请。

2)连接管理器向中转服务器发送中转指示。

3)连接管理器向户端返回中转参数，并向服务器端发送连接指示。

4)客户端和连接服务器端向中转服务器发送连接测试。

5)中转服务器向客户端和服务器端发送连接确认。

6)中转服务器和连接服务器端向管理器返回中转结果。

所述多个连接可以复用同一个UDP端口；一个连接可以包含多个互相独立的通道，不同通道互不干扰；

本发明把数据包内容分为数据包头和有效载荷两部分，其中数据包头规定了数据包的类型、序号和连接标识等；有效载荷部分为通信的内容，不同的数据包类型对应不同的有效载荷格式。

所述数据包头总共12个字节，其中第一个字节为协议版本号，第二个字节为通道号，一个连接最多支持256个通道；第三个字节为数据包传输标志位，用户控制数据包的传输行为；第四个字节为数据包有效载荷的类型，每个通道至多可支持256种有效载荷类型；第五到第八字节是一个32位整数，表示数据包在通道中的序列号；第九到第十二字节也是一个32位整数，表示整个连接在系统中的编号，由连接服务器统一分配和管理。

进一步各所述传输标志位的含义为：

●T：表示该数据包为可信传输，必须保证数据包的到达。对于可信传输，发送方需要等待收到回复，收不到就重发，从而保证数据包收到。

●A：表示该数据包为自动回复，主要用于一些请求的自动小回复。

●S：表示该数据包用于同步数据包的序列号。

●F：表示该数据包用于关闭当前连接。

●W：表示该数据包发送者等待接收者的回复。

●R：表示该数据包为回复数据包。

●E：表示该数据包为错误消息数据包。

●X：表示该数据包的载荷为加密数据。

所述有效载荷可以根据设置分为普通有效载荷和加密有效载荷。普通有效载荷直接跟随在数据包头的后面，其后不再有其它内容。所述加密载荷为明文有效载荷、加密填充和加密校验三部分一起加密的结果。

进一步所述加密填充的数目为根据有效载荷的长度和加密算法的分组要求计算要填充的字节数目，至少填充1个字节，至多填充加密分组的长度。

进一步所述加密校验由数据包头、明文有效载荷和加密填充一起计算，通常采用CRC校验算法。

进一步所述密文有效载荷，是使用加密算法对由明文有效载荷、加密填充和加密校验三部分连接在一起组成的数据进行分组加密的加密结果。

所述数据包类型最多可以包含256种，如空数据包、表示错误消息的数据包、音频数据包、视频数据包、初始化数据包、连接数据包等等。可以根据需要增加不同的数据包类型，以便在系统中进行辨认。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

与现有技术相比，本方法能对需要可信传输的数据提供可信传输，即保证可信传输的数据包对方一定能够接收到，另外本发明通过数据包头的链接包序列号，能够保证数据包到达的顺序，本发明可以多个连接复用一个端口，可应用于大数据量且实时性要求较高的场合。本发明提供可信和加密功能，使用者可以根据需求自行指定方式。

附图说明

图1 MLRUDP视频传输示意图；

图2直接连接方式；

图3中转连接方式；

图4加密有效载荷加密方式图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以视频监控云平台为例，描述基于UDP的用户可选的可信传输方法的具体实施。本发明不限于视频监控平台。任何需要可信通信或加密传输的均可使用本方法实现。

视频监控云平台通过互联网为用户提供异地实时的视频观看服务。本发明在该平台中实现了视频流传输过程中的加密保护和服务器之间消息通信的安全传输。

如附图1所示，移动/PC终端作为连接客户端是发起连接的一端，摄像头或采集摄像头数据的服务器作为连接服务器，是客户端要连接的一端。本发明是建立在UDP协议之上，主要设计思想是多个连接(Session)复用一个UDP端口，每个连接又可以包含多个相互独立的通道，每个通道传输不同的数据也可以对不同通道的数据进行相应的设置。如果摄像头前端位于防火墙之后，使用本发明还可以方便的实现穿透防火墙。

利用本发明可以通过直接连接和间接连接的方式。直接连接方式如附图2所示，客户端向连接管理器发送连接申请，(包括客户端IP地址、客户端端口号、目标服务器编号)。连接管理器接收到连接申请后，向客户端返回连接参数，(包括连接序号、目标服务端IP地址、目标服务端端口号等)，并同时向目标服务器发送连接指示，(包括连接序号、客户端IP地址、客户端端口号等)。目标服务器端和连接客户端互相发送连接测试数据包。服务端接收到连接测试数据包后更新客户端地址，然后采用新地址发送连接测试数据包。客户端收到连接测试数据包后，进行连接确认。确认成功后，目标服务器端向连接管理器返回连接结果，(包括连接序号和成功标志位)。至此，连接建立。

如果客户端连接超时，可以向连接管理器申请使用中转服务器进行中转连接，中转连接方式如图3所示。客户端向连接管理器发送中转申请(客户端IP地址、客户端端口号、目标服务器编号)。连接管理器向中转服务器发送中转指示(连接序号、目标服务端IP地址、目标服务端端口号、客户端IP地址、客户端端口号等)。连接管理器向客户端返回中转参数，包括(连接序号、中转IP地址、中转端口号等)。连接管理器向目标服务器端发送中转连接指示，包括(连接序号、中转IP地址、中转端口号等)。客户端和目标服务器端分别与中转服务器之间互发连接测试数据包。客户端向中转服务器发送连接确认，中转服务器向目标服务器端发送连接确认，目标服务器向连接管理器返回连接结果。中转服务器向连接管理器返回中转结果。至此，建立中转连接。

本发明中数据包由数据包头和有效载荷组成，其中数据包头规定了数据包的类型、序号和连接标识等；有效载荷部分为通信的内容，不同的数据包类型对应不同的有效载荷格式。

所述数据包头格式如下所示。

其中，本发明采用第一个字节来标示表示版本号，当前值为0x24。第二个字节为通道号，一个连接最多支持256个通道。第三个字节为数据包传输标志位，用户控制数据包的传输行为，T：表示该数据包为可信传输，必须保证数据包的到达。A：表示该数据包为自动小回复，主要用于一些请求的自动回复。S：表示该数据包用于同步数据包的序列号。F：表示该数据包用于关闭当前连接。W：表示该数据包发送者等待接收者的回复。R：表示该数据包为回复数据包。E：表示该数据包为错误消息数据包。X：表示该数据包为扩展数据包，主要表示该数据包的载荷为加密数据。第四个字节为数据包有效载荷的类型，每个通道至多可支持256种有效载荷类型。第五到第八字节是一个32位整数，表示数据包在通道中的序列号。第九到第十二字节也是一个32位整数，表示整个连接在系统中的编号，由连接服务器统一分配和管理。本发明中的数据包头能够保证数据包传输到达的顺序，对乱序的数据包进行排序，对未收到的数据包可以要求重发。

标志位具体应用方式列举：

当某一数据包D1的包头中T置为1时，表示该数据包为可信传输，。接收方接收到该数据包，必须向发送方发送确认数据包D2，该确认数据包D2的标志位中A则应置为1，发送方需要接收到确认包D2，才会继续发送D3，否则继续发送D1，直到收到D2为止；

当某一数据包D1的包头中S置为1时，表示该数据包用于同步数据包的序列号。接收端收到D1，则将下一次发回的数据包序列号置为0，从新开始排列，避免序列号超过最大值。

当某一数据包D1的包头中F置为1时，表示该数据包用于关闭当前连接。接收方接收到D1则将该连接断开。

当某一数据包D1的包头中W置为1时，不一定表示该连接是可信连接，该数据包发送者等待接收者的回复，接收者应该发送回复数据包D2，其中D2的R位应该置为1，若接收方一直未收到D2则等待一段时间超时后报错。

当某一数据包的包头中E置为1时，表示该数据包为错误消息数据包。就会根据错误报错，回调报错函数。

当某一数据包的包头中X置为1时，表示该数据包为扩展数据包，主要表示该数据包的载荷为加密数据。接收方需要将载荷解密出明文才能读取到实际数据。

本实施例中，有效载荷分为普通有效载荷和加密有效载荷。加密有效载荷的加密方式如附图4所示，由明文有效载荷、加密填充和加密校验一起进行分组加密后得到的结果。根据有效载荷的长度和加密算法的分组要求计算要填充的字节数目，至少填充1个字节，至多填充加密分组的长度。设有明文有效载荷长度L，加密分组长度为N，加密校验长度为C(采用CRC校验算法，长度为4)，则填充长度P＝N–(L+C)％N。所填充的每一个字节的值都是填充长度P。由数据包头、明文有效载荷和加密填充一起计算加密校验，通常采用CRC校验算法。使用加密算法对由明文有效载荷、加密填充和加密校验三部分连接在一起组成的数据进行分组加密，加密结果作为密文有效载荷。

本实施例中，数据包类型最多可以包含256种，如空数据包、错误消息数据包、音频数据包、视频数据包、初始化数据包、连接数据包等等。以普通有效载荷的错误消息数据包为例，其数据包格式如下所示：

其中，数据包头的R标志位值为1，其载荷内容包括错误号和错误描述文本。其他情况可以根据需要增加不同的数据包类型，以便在系统中进行辨认。

以上所述仅为本发明的一个实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (3)

1.一种基于UDP的多寻址有限实时节点通信方法，其步骤为：

1)客户端向连接管理器发送连接请求；其中，连接请求信息包括：客户端IP地址、客户端端口号、目标服务器编号；

2)连接管理器接收到该连接请求后，向该客户端返回连接参数并向目标服务器发送连接指示；其中，连接参数包括连接序号、目标服务器IP地址、目标服务器端口号，连接指示包括连接序号、客户端IP地址、客户端端口号；

3)目标服务器和该客户端互相发送连接测试数据包，进行连接确认；确认成功后，目标服务器向连接管理器返回连接结果，该连接结果包括连接序号、收发双方的IP地址、端口号和成功标志位；

4)连接确认成功后，即完成该客户端与目标服务器之间传输通道的建立，该客户端与目标服务器通过该传输通道进行通信；其中，多个连接复用一个UDP端口，每个连接又可以包含多个相互独立的通道，每个通道传输不同的数据也可以对不同通道的数据进行相应的设置；

其中，所述连接测试数据包的包头、通信的数据包的包头均包括：协议版本号、通道号、数据包传输标志位、数据包有效载荷的类型、数据包在通道中的序列号、连接编号；

所述传输标志位包括：T，表示该数据包为可信传输，必须保证数据包的到达；A，表示该数据包为自动小回复；S，表示该数据包用于同步数据包的序列号；F，表示该数据包用于关闭当前连接；W，表示该数据包发送者等待接收者的回复；R，表示该数据包为回复数据包；E，表示该数据包为错误消息数据包；X：表示该数据包的载荷为加密数据。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，如果客户端在设定时间内未收到目标服务器返回的测试数据包时，该客户端向连接管理器申请使用中转服务器进行中转连接，其方法为：

21)客户端向连接管理器发送中转请求；其中，中转请求信息包括：客户端IP地址、客户端端口号、目标服务器编号；

22)连接管理器收到该中转请求后向中转服务器发送中转指示；其中，中转指示包括连接序号、目标服务器IP地址、目标服务器端口号、客户端IP地址、客户端端口号；

23)连接管理器向客户端返回中转参数；其中，中转参数包括连接序号、中转IP地址、中转端口号；

24)连接管理器向目标服务器发送中转连接指示；其中，中转连接指示包括连接序号、中转IP地址、中转端口号；

25)客户端、目标服务器分别与中转服务器之间互发连接测试数据包，进行连接确认；确认成功后，中转服务器向连接管理器返回中转结果。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤3)目标服务器和该客户端互相发送连接测试数据包，进行连接确认的方法为：目标服务器和该客户端同时向对方发送连接测试数据包，如果目标服务器先接收到连接测试包，则目标服务器接根据收到的连接测试数据包后更新客户端地址，然后发送连接测试数据包给该客户端；该客户端收到连接测试数据包后，进行连接确认；如果该客户端先接收到连接测试包，则该客户端接根据收到的连接测试数据包后更新目标服务器地址，然后发送连接测试数据包给该目标服务器；该目标服务器收到连接测试数据包后，进行连接确认。