CN111200588B - 基于传输层的协议架构的数据传输方法及电子设备 - Google Patents

基于传输层的协议架构的数据传输方法及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明设计网络通信技术领域，具体涉及基于传输层的协议架构、数据传输方法及电子设备，其中，所述协议架构包括套接字层，用于调用操作系统的网络应用程序接口，以实现所述传输层的功能；协议层，用于负载数据的实时传输、传输控制以及状态收集；调度层，用于调用所述协议层的应用程序接口以获得所述协议层的处理结果并为应用层提供接口服务，以实现所述处理结果的输出。通过套接字层以及调度层实现传输层与应用层的衔接，即所述的协议架构介于传输层与应用层之间，利用协议层中实时传输保证负载数据传输的实时性以及可靠性，由于UDP传输速度快，通过协议层并不做延时处理，体现实时性；同时进行可靠性控制与管理，体现可靠性。

Description

基于传输层的协议架构的数据传输方法及电子设备
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域，具体涉及基于传输层的协议架构的数据传输方法及电子设备。
背景技术
嵌入式网络通信具有实时性、可靠性、规模小、成本低等要求。对于嵌入式网络通信而言，一般解决方案分为三种：MCU+WebChip；MCU+ProtocolStack；MCU+RTOS(实时操作系统)。
其中，对于第三种方案而言，是直接使用操作系统提供的TCP/UDP协议栈实现网络通信的。但是由于TCP在设计之初非常强调可靠性，需要三次握手方式来保证准确传输；而UDP强调传输速度，牺牲了可靠性，因此第三种方案不能很好的平衡实时性和可靠性，从而就难以满足对实时性和可靠性要求较高的场合。例如，在民营火箭的网络通信中，不仅要求实时性和可靠性，还要开发的敏捷性和低成本。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于传输层的协议架构的数据传输方法及电子设备，以解决实时性和可靠性的平衡的问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种基于传输层的协议架构，包括：
套接字层，用于调用操作系统的网络应用程序接口，以实现所述传输层的功能；
协议层，用于负载数据的实时传输、传输控制以及状态收集；
调度层，用于调用所述协议层的应用程序接口以获得所述协议层的处理结果并为应用层提供接口服务，以实现所述处理结果的输出。
本发明实施例提供的基于传输层的协议架构，通过套接字层以及调度层实现传输层与应用层的衔接，即所述的协议架构介于传输层与应用层之间，利用协议层中实时传输保证负载数据传输的实时性以及可靠性，由于UDP传输速度快，通过协议层并不做延时处理，体现实时性；同时进行可靠性控制与管理，体现可靠性。
结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述协议层包括：
实时传输协议，用于搭载所述负载数据，以实现所述负载数据的实时传输；
传输控制协议，用于控制所述负载数据的传输质量；
状态协议，用于收集所述负载数据的传输状态。
本发明实施例提供的基于传输层的协议架构，利用实施传输协议搭载需要传输的数据，传输控制协议保证数据传输的可靠性，状态协议收集数据传输的状态；由于协议层的各个协议只和数据传输相关，提供发送、接收和查看接口，功能单一，可以实现轻量级的协议。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面第二实施方式中，所述实时传输协议的格式为报头与报文内容的组合；其中，所述实时传输协议的报头包含版本、填充标志、扩展标识、计数器、有效载荷类型、序列号、时间戳、同步信源、负载数据校验码和负载数据长度；所述实时传输协议的报文内容为所述负载数据。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面第三实施方式中，所述传输控制协议的格式为报头与报文内容的组合；其中，所述传输控制协议的报头包含版本、报文类型、计数器以及长度；所述传输控制协议的报文内容包括发送报文、接收报文、源头描述报文、应用扩展报文以及结束报文中的一种。
结合第一方面第三实施方式，在第一方面第四实施方式中，所述传输控制协议的控制机制包括发送时间间隔及拥塞控制、重传控制以及结束会话控制。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面第五实施方式中，所述状态协议的格式为报头与报文内容的组合；其中，所述状态协议的报头为识别码，所述状态协议的报文内容为状态或故障码。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种根据本发明第一方面，或第一方面任一项实施方式中所述的基于传输层的协议架构的数据传输方法，包括：
获取配置参数；其中，所述配置参数包括网络地址与端口；
基于所述配置参数进行网络初始化以及协议初始化；
利用所述网络地址与端口进行负载数据的发送与接收，并对所述负载数据进行传输控制以及状态收集；
在预设周期内对所述负载数据进行状态查询，并输出查询结果。
本发明实施例提供的数据传输方法，由于该数据传输是依赖于上文所述的协议架构，而该协议结构介于传输层与应用层之间，利用协议层中实时传输保证负载数据传输的实时性以及可靠性，由于UDP传输速度快，通过协议层并不做延时处理，体现实时性；同时进行可靠性控制与管理，体现可靠性。
结合第二方面，在第二方面第一实施方式中，所述利用所述网络地址与端口进行负载数据的发送与接收，并对所述负载数据进行传输控制以及状态收集，包括：
采用实时传输协议搭载所述负载数据进行发送与接收；
采用传输控制协议控制所述负载数据的传输质量；
采用状态协议收集所述负载数据的传输状态。
根据第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行第二方面或者第二方面的任意一种实施方式中所述的根据本发明第一方面，或第一方面任一项实施方式中所述的基于传输层的协议架构的数据传输方法。
根据第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行第二方面或者第二方面的任意一种实施方式中所述的根据本发明第一方面，或第一方面任一项实施方式中所述的基于传输层的协议架构的数据传输方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的基于传输层的协议架构的示意图；
图2是根据本发明实施例的基于传输层的协议架构的示意图；
图3是根据本发明实施例的基于传输层的协议架构的示意图；
图4是根据本发明实施例的数据传输方法的流程图；
图5是根据本发明实施例的数据传输装置的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的电子设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明实施例中所述的基于传输层的协议架构是介于传输层与应用层之间的协议架构，进一步地，该协议架构基于网络模型传输层中UDP运行从传输的角度是传输层的子层，从开发的角度是应用层的协议层。该协议结构的设计性能同时考虑传输数据的实时性和传输控制的可靠性这两个方面的平衡，使得该传输速度优于TCP，可靠性优于UDP；再进一步地，所述协议架构可以认为是在操作系统提供的传输层上封装一层轻量级满足实时控制的协议，即在UDP的负载数据部分自行设计和添加协议，使得数据传输的可靠性增强。
利用本发明实施例中所述的基于传输层的协议架构进行数据传输，能够，通过本软件的设计方法，能够在嵌入式网络环境中，为应用层提供实时可靠的接收数据、发送数据和查询通信状态的接口和服务。应用层只能觉察负载数据的收发和通信状况，协议已经封装成库，不需要用户了解协议细节。
本发明实施例中所述的基于传输层的协议架构可以应用在所有需要实现实时性与可靠性平衡的场合中，例如，可以应用在商业火箭的网络传输中。在下文中将对基于传输层的协议架构进行详细描述。
如图1所示，本发明实施例所述的基于传输层的协议架构，包括套接字层、协议层以及调度层。
其中套接字层(即，Socket层)用于调用操作系统的网络应用程序接口，以实现所述传输层的功能。在进行开发部署时，只需要根据操作系统进行开发部署。例如，如图2所示，所述的套接字层可以分为3个模块，分别为Windows下客户端和服务端实现，Linux下客户端和服务端实现，labwindows/CVI下客户端和服务端实现，以适应不同开发环境下的网络底层通信。在实际进行开发部署时，只需要根据实际情况对socket层进行部署即可。当然，所述套接字层不限于上述3个模块，也可以实际情况进行相应的部署。
所述协议层用于实现负载数据的实时传输、传输控制以及状态收集。具体地，协议层搭载负载数据进行实时传输，且在实时传输过程进行传输控制以保证传输质量，对传输状态进行收集，便于实时反馈给用户。
所述的调度层用于调用协议层的应用程序接口以获得协议层的处理结果并为应用层提供接口服务，以所述处理结果的输出。具体地，调度层也可以称之为综合调度层负责整合功能，对外提供统一的接口。
具体地，所述的协议架构划分为三层，即socket层、协议层以及调度层。其中，socket层是调用操作系统的网络API实现传输层的功能；综合调度层是调用协议层的API实现最终功能，并为应用层提供所有接口服务。
本实施例提供的基于传输层的协议架构，通过套接字层以及调度层实现传输层与应用层的衔接，即所述的协议架构介于传输层与应用层之间，利用协议层中实时传输保证负载数据传输的实时性以及可靠性，由于UDP传输速度快，通过协议层并不做延时处理，体现实时性；同时进行可靠性控制与管理，体现可靠性。
作为本实施例的一种可选实施方式，如图3所示，所述的协议层可以分为三个模块，分别为实时传输、传输控制和状态收集三个子协议模块。即，协议层可以包括实时传输协议、传输控制协议以及状态协议。
其中，实时传输协议用于搭载负载数据，以实现负载数据的实时传输；传输控制协议，用于控制负载数据的传输质量；状态协议，用于收集负载数据的传输状态。
利用实施传输协议搭载需要传输的数据，传输控制协议保证数据传输的可靠性，状态协议收集数据传输的状态；由于协议层的各个协议只和数据传输相关，提供发送、接收和查看接口，功能单一，可以实现轻量级的协议。
上述的3中协议也可以理解为轻量级的协议，即轻量级实时传输协议(light realtime protocol，简称为LRP)、轻量级传输控制协议(light control protocol，简称为LCP)以及轻量级状态协议(light collect state protocol，即LSP)。
所述的轻量级主要是体现在如下方面：一是体现在空间上，代码2000行，编译完成后可执行文件200KB；二是体现在时间上，算法复杂度低；三是可移植性强，适应各个操作系统，可以方便的移植在不用硬件环境中；四是功能单一，只和数据传输相关，提供发送、接收和查看接口。
从各个协议的格式上来看，上述3中协议的格式都为报文+报文内容的形式。其中，LRP和LCP通过两个通信端口周期性的发送和接收数据，LSP负责统计通信双方的状态信息供本地使用。
具体地，LRP的报头包含版本、填充标志、扩展标识、计数器、有效载荷类型、序列号、时间戳、同步信源、负载数据校验码和负载数据长度；LRP的报文内容为负载数据。
LCP的报头包含版本、报文类型、计数器以及长度；所述传输控制协议的报文内容包括发送报文、接收报文、源头描述报文、应用扩展报文以及结束报文中的一种。
LSP的报头为识别码，所述状态协议的报文内容为状态或故障码。
对于LCP而言，其控制机制有发送时间间隔及拥塞控制、重传控制、结束会话控制。其中，发送时间间隔的控制算法：依据发送数据长度和会话成员数量进行。重传控制算法：依据报头识别和CRC16校验判断数据的质量，通过环形缓冲器进行重传。结束会话算法：通过关闭本地网络结束，并发送结束报文通知接收方本源离开。
具体地，本实施例所述的协议架构的效果可以从以下几点进行描述：
(1)功能单一：只和数据传输相关，提供发送、接收和查看接口；可以体现出轻量级的协议。
(2)环境的依赖程度低：偏向应用层，对具体硬件几乎没有依赖，对各种操作系统只在socket编程上有些许修改。
(3)重用难易程度：可重用性强，凡是在网络通信的环境下皆可使用。
(4)替换的难易程度：可替代性强，针对不同的应用场景，可以更换其他网络控制协议。
(5)体积大小：源码2000行，可执行文件200KB；即，从空间上体现出轻量级的协议。
(6)运行开销：因为采用的只是必要的控制，时间复杂度低，运行开销小；即，从时间上体现出轻量级的协议。
(7)分层：软件只有socket层、协议层和综合调度层三层，逻辑清晰。
(8)开发部署容易：只需要考虑socket层。
本发明实施例还提供了一种数据传输方法，该数据传输方法是根据上文所述的基于传输层的协议架构进行的，具体地，如图4所示，所述的数据传输方法包括：
S11，获取配置参数。
其中，所述配置参数包括网络地址与端口。
配置参数可以是电子设备从外界获取到的，也可以是从其他地方获取到的，在此对配置参数的获取方式并不做任何限制。电子设备可以是基于Socket层获取到配置参数，并向配置函数进行传参，由API提供该函数。
可选地，所述的配置参数还可以包括发送工作模式以及发送周期等等。
S12，基于配置参数进行网络初始化以及协议初始化。
电子设备在获取到配置参数之后，进行网络初始化以及协议初始化，在初始化完成之后即可进行数据的传输。
可选地，在S11之前，还可以包括准备发送、接收和状态数据的缓冲区的步骤。
S13，利用网络地址与端口进行负载数据的发送与接收，并对负载数据进行传输控制以及状态收集。
电子设备利用协议架构中的协议层进行负载数据的发送与接收，并对负载数据进行传输控制以及状态收集。
具体地，采用实时传输协议搭载负载数据进行发送与接收；采用传输控制协议控制负载数据的传输质量；采用状态协议收集负载数据的传输状态。关于实时传输协议、传输控制协议以及状态协议的具体细节请参见图1-图3所示所示实施例的详细描述，在此不再赘述。
S14，在预设周期内对负载数据进行状态查询，并输出查询结果。
电子设备周期对负载数据进行状态查询，提供给使用者。后续在数据传输结束时，关闭网络协议服务。
本实施例提供的数据传输方法，由于该数据传输是依赖于上文所述的协议架构，而该协议结构介于传输层与应用层之间，利用协议层中实时传输保证负载数据传输的实时性以及可靠性，由于UDP传输速度快，通过协议层并不做延时处理，体现实时性；同时进行可靠性控制与管理，体现可靠性。
在本实施例中还提供了一种数据传输装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
本实施例提供一种数据传输装置，该数据传输装置是根据图1至图3所示实施例的基于传输层的协议架构建立的，如图5所示，所述的数据传输装置包括：
获取模块51，用于获取配置参数；其中，所述配置参数包括网络地址与端口；
初始化模块52，用于基于所述配置参数进行网络初始化以及协议初始化；
数据传输模块53，用于利用所述网络地址与端口进行负载数据的发送与接收，并对所述负载数据进行传输控制以及状态收集；
状态查询模块54，用于在预设周期内对所述负载数据进行状态查询，并输出查询结果。
本实施例中的数据传输装置是以功能单元的形式来呈现，这里的单元是指ASIC电路，执行一个或多个软件或固定程序的处理器和存储器，和/或其他可以提供上述功能的器件。
上述各个模块的更进一步的功能描述与上述对应实施例相同，在此不再赘述。
本发明实施例还提供一种电子设备，具有上述图5所示的数据传输装置。
请参阅图6，图6是本发明可选实施例提供的一种电子设备的结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：至少一个处理器601，例如CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，至少一个通信接口603，存储器604，至少一个通信总线602。其中，通信总线602用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口603可以包括显示屏(Display)、键盘(Keyboard)，可选通信接口603还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器604可以是高速RAM存储器(Random Access Memory，易挥发性随机存取存储器)，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器604可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器601的存储装置。其中处理器601可以结合图5所描述的装置，存储器604中存储应用程序，且处理器601调用存储器604中存储的程序代码，以用于执行上述任一方法步骤。
其中，通信总线602可以是外设部件互连标准(peripheral componentinterconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standardarchitecture，简称EISA)总线等。通信总线602可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图6中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
其中，存储器604可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)，硬盘(英文：hard diskdrive，缩写：HDD)或固态硬盘(英文：solid-state drive，缩写：SSD)；存储器604还可以包括上述种类的存储器的组合。
其中，处理器601可以是中央处理器(英文：central processing unit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。
其中，处理器601还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specific integrated circuit，缩写：ASIC)，可编程逻辑器件(英文：programmable logic device，缩写：PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complex programmable logic device，缩写：CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmable gate array，缩写：FPGA)，通用阵列逻辑(英文：generic arraylogic,缩写：GAL)或其任意组合。
可选地，存储器604还用于存储程序指令。处理器601可以调用程序指令，实现如本申请图4实施例中所示的数据传输方法。
本发明实施例还提供了一种非暂态计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的数据传输方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard DiskDrive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种基于传输层的协议架构的数据传输方法，其特征在于，所述协议架构是基于网络模型传输层中的UDP运行的，从传输的角度是传输层的子层；所述基于传输层的协议架构，包括：
套接字层，用于调用操作系统的网络应用程序接口，以实现所述传输层的功能；
协议层，用于负载数据的实时传输、传输控制以及状态收集；
调度层，用于调用所述协议层的应用程序接口以获得所述协议层的处理结果并为应用层提供接口服务，以实现所述处理结果的输出；
所述方法包括：
获取配置参数；其中，所述配置参数包括网络地址与端口；
基于所述配置参数进行网络初始化以及协议初始化；
利用所述网络地址与端口进行负载数据的发送与接收，并对所述负载数据进行传输控制以及状态收集；
在预设周期内对所述负载数据进行状态查询，并输出查询结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述协议层包括：
实时传输协议，用于搭载所述负载数据，以实现所述负载数据的实时传输；
传输控制协议，用于控制所述负载数据的传输质量；
状态协议，用于收集所述负载数据的传输状态。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述实时传输协议的格式为报头与报文内容的组合；其中，所述实时传输协议的报头包含版本、填充标志、扩展标识、计数器、有效载荷类型、序列号、时间戳、同步信源、负载数据校验码和负载数据长度；所述实时传输协议的报文内容为所述负载数据。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述传输控制协议的格式为报头与报文内容的组合；其中，所述传输控制协议的报头包含版本、报文类型、计数器以及长度；所述传输控制协议的报文内容包括发送报文、接收报文、源头描述报文、应用扩展报文以及结束报文中的一种。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述传输控制协议的控制机制包括发送时间间隔及拥塞控制、重传控制以及结束会话控制。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述状态协议的格式为报头与报文内容的组合；其中，所述状态协议的报头为识别码，所述状态协议的报文内容为状态或故障码。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述利用所述网络地址与端口进行负载数据的发送与接收，并对所述负载数据进行传输控制以及状态收集，包括：
采用实时传输协议搭载所述负载数据进行发送与接收；
采用传输控制协议控制所述负载数据的传输质量；
采用状态协议收集所述负载数据的传输状态。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行权利要求1-7中任一项所述的基于传输层的协议架构的数据传输方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1-7中任一项所述的基于传输层的协议架构的数据传输方法。
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