CN112911638B - 使用udp协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法 - Google Patents

使用udp协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，包含：步骤1，终端上电拨号，获得IP，发送第一帧到服务器端，服务器端记录，并回复终端；步骤2，终端收到回复，记录连接成功；步骤3，终端发送数据；步骤4，服务器端记录每个终端接收的帧序号；步骤5，终端收到请求重传帧后，重传对应帧序号的数据帧；步骤6，服务器端收到一个窗口的所有数据后，发送窗口确认帧到终端；步骤7，终端收到窗口确认帧后，回复服务器端窗口确认回复帧，并调整数据帧序号，发送下一窗口数据。本发明提供的方法能够改进优化无线网络的负载拥塞，保证数据传输的可靠，根据具体的应用调整通讯参数，提高通信性能，降低服务器资源的消耗。

Description

使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法
技术领域
本发明涉及一种用于物联网通信领域的通过无线网络传输终端使用2G/3G/4G网络与远程服务器端通信的开发装置方法，具体地，涉及一种使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法。
背景技术
随着无线网络通信速率的提高，尤其是5G时代的到来，物联网产业发展越来越快，大数据的普及，随之通过无线网络传输数据的数据量以及可靠性也要求越来越高。
传统的网络传输层可靠控制协议TCP是为有线网络设计的,以发送端为中心进行控制网络拥塞控制。TCP数据发送端假设丢包都是由于网络拥塞造成的，根据接收端的ACK反馈信息来判断是否有丢包发生并进行拥塞控制。当发生丢包时，发送端减小发送窗口，以减小网络的负载、避免拥塞。然而无线网络环境具有误码率高、带宽低及能量有限等特点，丢包很可能是由无线链路本身的情况引起的，传统的TCP将这些丢包归结为拥塞，会错误地进行拥塞控制，导致其性能在无线网络环境中下降很大。另外TCP协议为了保证数据的可靠性，重传的方式并不一定适用于无线网络传输的具体应用，同时使用TCP协议服务器端接入大量终端设备时，维持大量的终端连接，服务器的资源消耗也会较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种资源占用率低、通讯有序可靠、负载拥塞流量可控以及可根据具体应用调整通讯参数的，针对目前网络传输层可靠控制协议TCP在无线网络环境中的性能缺陷，解决现有问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，其中，所述的方法包含：步骤1，通过终端上电拨号成功，获得运营商分配的内网IP，然后发送第一帧到服务器端，服务器端记录终端ID、IP及端口的对应关系，并回复终端；步骤2，终端收到服务器回复，记录与服务器连接成功，帧序号清零；步骤3，终端根据实时数据量发送数据，最大发送两个窗口数据；步骤4，服务器端记录每个终端接收的帧序号，当前帧的帧序号较上一帧连续，则移入业务处理队列等待处理；当前帧的帧序号较上一帧不连续，则存入不连续队列缓存，等待后续帧再进行排序；如果等待时间N后仍未收到该序号帧，则立即发送请求重传帧到终端；步骤5，终端收到请求重传帧后，根据帧序号重传对应帧序号的数据帧；步骤6，服务器端连续收到终端一个窗口的所有数据后，发送窗口确认帧到终端，发送后等待接收窗口确认回复帧，如果等待时间N后仍未收到，则重发该窗口确认帧；步骤7，终端收到窗口确认帧后，回复服务器端窗口确认回复帧，并调整可发送数据帧序号，发送下一窗口数据。
所述的步骤1中，如果终端未收到回复帧，则间隔N时间重发一次第一帧，直到收到回复帧结束。
上述的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，其中，所述的步骤2中，还包含：发送实际业务序号，从0开始编号。
上述的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，其中，所述的步骤3中，最大发送两个窗口数据，实现连续32帧。
上述的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，其中，所述的步骤5中，终端缓存两个窗口帧数据。
上述的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，其中，所述的步骤6中，窗口确认帧包含当前窗口最大帧序号加1。
上述的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，其中，所述的方法中，还包含对通讯过程中的其他异常进行处理。
上述的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，其中，所述的处理包含：a.为更有效的查看终端在线管理，超时10分钟未接收到终端任何数据则更改为终端离线，所有通讯参数重新初始化处理；b.为防止序号错乱，服务器接收到终端发送第一帧时，则将对应该终端的所有通讯参数重新初始化处理；c.在服务器接收到终端发送的非第一帧数据时，如果服务器端没有该终端信息或终端处于离线状态，则发送请求发送第一帧到该终端，终端收到后发送第一帧到服务器端；d.为防止整个窗口或者连续的帧序号数据丢失，在服务器收到终端发送的心跳帧时，回复终端心跳应答帧，并包含服务器接收到该终端的最大帧序号；如终端正常收到两个心跳的应答帧帧序号未改变并且小于当前发送帧序号，则重传应答帧序号到当前发送帧序号的所有帧；e.大包传输进行拆包确认上传，每小包1KByte，传输时每小包共用一个大包帧序号，用于帧序号连续性判断，同时每个小包增加小包序号标识，服务器进行一一确认再将接收到的小包根据小包序号拼接处理；f.服务器端根据自身的运行状态，调整终端的发送状态；如果服务器端缓存到达阈值，则请求终端暂停数据发送，仅维持心跳传输，心跳回复帧指示服务器的状态，直到服务器端恢复正常后终端重新发送业务数据。
本发明提供的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法具有以下优点：
本发明通过使用UDP协议优化无线网络负载拥塞，提供了一种通过无线网络传输终端使用2G/3G/4G网络与远程服务器端通信的可靠的方法，针对现有的网络传输层可靠控制协议TCP在无线网络环境中的性能缺陷，具有资源占用率低、通讯有序可靠、负载拥塞流量可控以及可根据具体应用调整通讯参数等特点。
附图说明
图1为本发明的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法适用的通讯架构示意图。
图2为本发明的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法的终端正常发送数据时与服务器端通讯交互示意图。
图3为本发明的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法的通讯过程中丢失连续帧序号数据或整个窗口数据时通讯交互示意图。
图4为本发明的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法的通讯过程中大包传输示意图。
图5为本发明的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法的服务器状态异常处理传输示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
如图1～5所示，本发明提供的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，该方法包含：步骤1，通过终端上电拨号成功，获得运营商分配的内网IP，然后发送第一帧到服务器端，服务器端记录终端ID、IP及端口的对应关系，并回复终端；步骤2，终端收到服务器回复，记录与服务器连接成功，帧序号清零；步骤3，终端根据实时数据量发送数据，最大发送两个窗口数据；步骤4，服务器端记录每个终端接收的帧序号，当前帧的帧序号较上一帧连续，则移入业务处理队列等待处理；当前帧的帧序号较上一帧不连续，则存入不连续队列缓存，等待后续帧再进行排序；如果等待时间N后仍未收到该序号帧，则立即发送请求重传帧到终端；步骤5，终端收到请求重传帧后，根据帧序号重传对应帧序号的数据帧；步骤6，服务器端连续收到终端一个窗口的所有数据后，发送窗口确认帧到终端，发送后等待接收窗口确认回复帧，如果等待时间N后仍未收到，则重发该窗口确认帧；步骤7，终端收到窗口确认帧后，回复服务器端窗口确认回复帧，并调整可发送数据帧序号，发送下一窗口数据。该方法中采用的通信系统包括一个服务器端和若干终端。
步骤1中，如果终端未收到回复帧，则间隔N时间重发一次第一帧，直到收到回复帧结束。
步骤2中还包含：可以发送实际业务序号，从0开始编号。
步骤3中最大发送两个窗口数据，实现连续32帧。
步骤5中终端侧需缓存两个窗口帧数据。
步骤6中窗口确认帧包含当前窗口最大帧序号加1。
该方法中，还包含对通讯过程中的其他异常进行处理。具体包含：a.为更有效的查看终端在线管理，超时10分钟未接收到终端任何数据则更改为终端离线，所有通讯参数重新初始化处理；b.为防止序号错乱，服务器接收到终端发送第一帧时，则将对应该终端的所有通讯参数重新初始化处理；c.在服务器接收到终端发送的非第一帧数据时，如果服务器端没有该终端信息或终端处于离线状态，则发送请求发送第一帧到该终端，终端收到后发送第一帧到服务器端；d.为防止整个窗口或者连续的帧序号数据丢失，在服务器收到终端发送的心跳帧时，回复终端心跳应答帧，并包含服务器接收到该终端的最大帧序号；如终端正常收到两个心跳的应答帧帧序号未改变并且小于当前发送帧序号，则重传应答帧序号到当前发送帧序号的所有帧；e.大包传输进行拆包确认上传，每小包1KByte，传输时每小包共用一个大包帧序号，用于帧序号连续性判断，同时每个小包增加小包序号标识，服务器进行一一确认再将接收到的小包根据小包序号拼接处理；f.服务器端根据自身的运行状态，调整终端的发送状态；如果服务器端缓存到达阈值，则请求终端暂停数据发送，仅维持心跳传输，心跳回复帧指示服务器的状态，直到服务器端恢复正常后终端重新发送业务数据。
该方法中，通讯参数如下：
一、使用UDP协议，与服务器并没有类似TCP协议的连接，每条数据报文中需包含终端唯一标识(可根据具体的应用场景配置，本方法实现使用8位唯一ID)。
二、无线网络传输，一般终端使用SIM卡拨号上网，运营商网络映射关系维持时间较短，发送端需定时发送心跳帧维护IP及端口映射关系(可根据具体的应用场景配置，本方法实现使用20秒发送一次心跳)。
三、为减少无线网络传输的数据量，减少握手次数，类似TCP协议发送端采用发送窗口机制，服务器端针对每个窗口应答(可根据具体的应用场景配置，本方法实现使用16帧数据一个窗口)。
四、为保证无线网络传输的数据有序可靠性，类似TCP协议每条数据报文中需包含帧序号，用于数据排序、重传等(可根据具体的应用场景配置，本方法实现使用0～65535循环使用)。
五、无线网络传输较大的数据包更容易出现丢包(尤其2G/3G低带宽网络)，针对该特点本方法实现大包传输时采用拆包上传，每小包确认方式特定处理(1KByte/包)。
Internet协议集支持一个无连接的传输协议，该协议称为用户数据报协议UDP。UDP为应用程序提供了一种无需建立连接就可以发送封装的IP数据包的方法。UDP是UserDatagram Protocol的简称，是OSI(Open System Interconnection，开放式系统互联)参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，IETF RFC768是UDP的正式规范。UDP在IP报文的协议号是17。
下面结合实施例对本发明提供的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法做更进一步描述。
实施例1
一种使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，包含如下步骤：
步骤1，终端上电拨号成功，获得运营商分配的内网IP后，发送第一帧(first_frame)到服务器端，服务器端记录终端ID，IP及端口的对应关系，并回复终端(first_frame_ack)。如终端未收到回复帧，则间隔N时间重发一次第一帧，直到收到回复帧结束。
步骤2，终端收到服务器回复的first_frame_ack，记录与服务器连接成功，帧序号清零，可发送实际业务序号，从0开始编号。
步骤3，终端根据实时数据量发送数据，最大发送两个窗口数据，本方法实现即连续32帧。
步骤4，服务器端记录每个终端接收的帧序号，当前帧帧序号较上一帧连续，则移入业务处理队列等待处理；当前帧帧序号较上一帧不连续，则存入不连续队列缓存，等待后续帧再进行排序，如等待时间N后仍未收到该序号帧，则立即发送请求重传帧到终端。
步骤5，终端收到请求重传帧后，根据帧序号重传对应帧序号数据帧(终端侧需缓存两个窗口帧数据)。
步骤6，服务器端连续收到终端一个窗口的所有数据后，发送窗口确认帧(window_ack)到终端，窗口确认帧应包含当前窗口最大帧序号加1，如帧序号为0～15的窗口，窗口确认帧包含序号则为16。发送后等待接收窗口确认回复帧(windows_ack_ack)。如等待时间N后仍未收到，则重发该窗口确认帧。
步骤7，终端收到窗口确认帧(window_ack)后，回复服务器端windows_ack_ack，并调整可发送数据帧序号，发送下一窗口数据。
该方法还包括通讯过程中的其他异常处理；进一步包括：
a.为更有效的查看终端在线管理，本方法实现超时10分钟未接收到该终端任何数据则更改为终端离线，所有通讯参数重新初始化处理。
b.防止序号错乱，服务器接收到终端发送第一帧(first_frame)时，则将对应该终端的所有通讯参数重新初始化处理。
c.在服务器接收到终端发送的非第一帧(first_frame)数据时，如服务器端没有该终端信息或终端处于离线状态，则发送请求发送第一帧到该终端(request_first_frame)，终端收到后发送第一帧(first_frame)到服务器端。
d.为防止整个窗口或者连续的帧序号数据丢失，在服务器收到终端发送的心跳帧(heartbeat_frame)时，回复终端心跳应答帧(heartbeat_frame_ack)，并包含服务器接收到该终端的最大帧序号。如终端正常收到两个心跳的应答帧帧序号未改变并且小于当前发送帧序号，则重传应答帧序号到当前发送帧序号的所有帧。
e.大包传输(一般指大于网卡默认MTU值1500Bytes)进行拆包确认上传，每小包1KByte。传输时每小包共用一个大包帧序号，用于帧序号连续性判断。同时每个小包增加小包序号标识，服务器进行一一确认再将接收到的小包根据小包序号拼接处理。(适用于小包较多，大包较少的场景)。
f.服务器端根据自身的运行状态，调整终端的发送状态。如服务器端缓存到达阈值，则请求终端暂停数据发送，仅维持心跳传输，心跳回复帧(heartbeat_frame_ack)指示服务器的状态，直到服务器端恢复正常后终端重新发送业务数据。
本发明提供的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，能够改进优化无线网络的负载拥塞，并同时保证数据传输的可靠，根据具体的应用调整通讯参数，从而提高通信性能，降低服务器资源的消耗。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，其特征在于，所述的方法包含：
步骤1，通过终端上电拨号成功，获得运营商分配的内网IP，然后发送第一帧到服务器端，服务器端记录终端ID、IP及端口的对应关系，并回复终端；
步骤2，终端收到服务器回复，记录与服务器连接成功，帧序号清零；
步骤3，终端根据实时数据量发送数据，最大发送两个窗口数据；
步骤4，服务器端记录每个终端接收的帧序号，当前帧的帧序号较上一帧连续，则移入业务处理队列等待处理；当前帧的帧序号较上一帧不连续，则存入不连续队列缓存，等待后续帧再进行排序；如果等待时间N后仍未收到该序号帧，则立即发送请求重传帧到终端；
步骤5，终端收到请求重传帧后，根据帧序号重传对应帧序号的数据帧；
步骤6，服务器端连续收到终端一个窗口的所有数据后，发送窗口确认帧到终端，发送后等待接收窗口确认回复帧，如果等待时间N后仍未收到，则重发该窗口确认帧；
步骤7，终端收到窗口确认帧后，回复服务器端窗口确认回复帧，并调整可发送数据帧序号，发送下一窗口数据。
2.如权利要求1所述的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，其特征在于，所述的步骤1中，如果终端未收到回复帧，则间隔N时间重发一次第一帧，直到收到回复帧结束。
3.如权利要求1所述的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，其特征在于，所述的步骤2中，还包含：发送实际业务序号，从0开始编号。
4.如权利要求1所述的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，其特征在于，所述的步骤3中，最大发送两个窗口数据，实现连续32帧。
5.如权利要求1所述的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，其特征在于，所述的步骤5中，终端缓存两个窗口帧数据。
6.如权利要求1所述的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，其特征在于，所述的步骤6中，窗口确认帧包含当前窗口最大帧序号加1。
7.如权利要求1所述的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，其特征在于，所述的方法中，还包含对通讯过程中的其他异常进行处理。
8.如权利要求7所述的使用UDP协议优化无线网络负载拥塞的可靠通信方法，其特征在于，所述的处理包含：
a.为更有效的查看终端在线管理，超时10分钟未接收到终端任何数据则更改为终端离线，所有通讯参数重新初始化处理；
b.为防止序号错乱，服务器接收到终端发送第一帧时，则将对应该终端的所有通讯参数重新初始化处理；
c.在服务器接收到终端发送的非第一帧数据时，如果服务器端没有该终端信息或终端处于离线状态，则发送请求发送第一帧到该终端，终端收到后发送第一帧到服务器端；
d.为防止整个窗口或者连续的帧序号数据丢失，在服务器收到终端发送的心跳帧时，回复终端心跳应答帧，并包含服务器接收到该终端的最大帧序号；如终端正常收到两个心跳的应答帧帧序号未改变并且小于当前发送帧序号，则重传应答帧序号到当前发送帧序号的所有帧；
e.大包传输进行拆包确认上传，每小包1KByte，传输时每小包共用一个大包帧序号，用于帧序号连续性判断，同时每个小包增加小包序号标识，服务器进行一一确认再将接收到的小包根据小包序号拼接处理；
f.服务器端根据自身的运行状态，调整终端的发送状态；如果服务器端缓存到达阈值，则请求终端暂停数据发送，仅维持心跳传输，心跳回复帧指示服务器的状态，直到服务器端恢复正常后终端重新发送业务数据。
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