CN117956045A - 一种基于udp协议的通信系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据传输技术领域，提供一种基于UDP协议的通信系统和方法，所述方法基于UDP协议，在应用层上构建可靠通信机制，在UDP报文的基础上增加报文头部构建用户数据报文；底层调用UDP协议的通信接口传输用户数据报文，目标端接收到用户数据报文后进行报文解析，根据报文头部信息触发确认应答、超时重传、快速重传、会话管理等机制，解决了现有技术中数据传输的可靠性低、稳定性差的问题，提高了数据传输速率并实现了稳定、可靠的数据传输效果。

Description

一种基于UDP协议的通信系统和方法

技术领域

本发明涉及数据传输技术领域，特别涉及一种基于UDP协议的通信系统和方法。

背景技术

理想的数据传输条件有以下两个特点：传输信道不产生差错；不管发送方以多快的速度发送数据，接收方都可成功接收数据。在这样的理想传输条件下，不需要采取任何措施就能够实现可靠传输。但现有技术中的网络往往都不具备以上两个理想条件。因此，在数据传输时往往使用一些可靠传输协议，当出现差错时让发送方重传出现错误的数据，同时在接收方来不及处理收到的数据时，及时告知发送方适当降低发送数据的速率，从而实现可靠传输。

TCP/IP传输层有两个主要协议，用户数据包协议UDP(User Datagram Protocol)和传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)。其中，UDP协议在传输数据之间不需要建立连接，不提供可靠交付，但其传输速度快、效率高。TCP协议则提供面向连接的服务，在传输数据之前必须先建立连接，数据传输结束后要释放连接。现有技术中存在的问题是，在某些对传输时延要求较高的场景下，使用TCP协议传输速率延时太大，UDP协议传输数据又不可靠。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于UDP协议的通信系统和方法，以解决现有技术中数据传输的可靠性、稳定性差的问题。本发明第一方面提供的一种基于UDP协议的通信方法，所述方法包括：

确定会话编号，所述会话编号用于数据发送端与所述数据接收端进行数据通信，所述数据接收端和所述数据发送端均包括一个或多个；

所述数据发送端将用户数据进行分片，并在分片后的所述用户数据基础上增加报文头后进行数据组包，获得待发送的数据包；

将待发送的所述数据包通过UDP协议发送至所述数据接收端；

所述数据接收端通过UDP协议接收到所述数据包后，对所述数据包进行解包操作，根据所述数据包的报文头部信息，所述数据接收端发送确认应答至所述数据发送端；

如果所述数据发送端收到所述确认应答，则完成所述数据包的发送；如果所述数据发送端未收到所述确认应答，则触发所述数据发送端的重传机制进行所述对应所述数据包的重传，直到所述数据发送端收到所述数据包的所有确认应答，所述重传机制包括超时重传和快速重传。

进一步的，所述在分片后的所述用户数据增加报文头后进行数据组包，所述报文头的信息包括：

会话编号、报文类型、分片号、可用接收窗口大小、发送时间戳、报文序列号、待接收的序列号。

进一步的，所述方法还包括：

所述超时重传中，获取所述数据发送端未收到所述确认应答的第一等待时间，当所述等待时间超出第一超时时间，则所述数据发送端进行所述对应所述数据包的重传，所述第一超时时间为预设值；

获取重传之后所述数据发送端未收到所述确认应答的第二等待时间，当所述第二等待时间超出第二超时时间，则所述数据发送端进行下一次所述对应所述数据包的重传，所述第二超时时间是所述第一超时时间的1.5倍。

进一步的，所述方法还包括：

预设所述快速重传的等待次数；

如果所述数据发送端未收到第一数据包的确认应答，获取所述数据发送端在未收到所述第一数据包之后成功收到的确认应答数；

如果所述确认应答数超过所述等待次数，则触发所述第一数据包的重发。

进一步的，所述方法还包括：

所述数据发送端基于所述会话编号创建数据发送控制块，所述数据接收端基于所述会话编号创建数据接收控制块，

将所述待发送的数据包插入至所述数据发送控制块的发送队列；

所述数据发送端循环调用所述数据发送控制块的会话刷新模块，通过所述会话刷新模块将待发送的所述数据包基于UDP协议发送至所述数据接收端；

所述数据接收端通过UDP协议接收到所述数据包后，所述数据接收控制块解析所述数据包的报文头，根据所述数据包的报文头部信息进行所述数据包的重组和排序操作，获得所述数据包对应的用户数据，所述数据接收端发送确认应答至所述数据发送端；

如果所述数据发送端未收到所述确认应答，则通过调用所述数据接收控制块的会话刷新模块，触发所述数据发送端的重传机制进行所述对应所述数据包的重传，所述数据发送控制块存储已发送但未收到所述确认应答的数据包。

本发明第二方面还提供了一种基于UDP协议的通信系统，所述系统包括客户端和服务端，基于所述系统进行数据通信的方法包括：

启动所述服务端，通过监听指定端口等待所述客户端的会话请求；

所述客户端通过指定会话信息创建控制块并向所述服务端发起所述会话请求，所述会话信息包括服务端IP、服务端端口号以及会话编号；

所述服务端接收到所述会话请求后，判断所述会话请求中的所述会话编号是否存在，如果所述会话编号存在，结束当前会话；

如果所述会话编号不存在，则所述服务端基于所述会话请求创建会话实体，并将所述会话实体存储于全局列表中进行管理；

所述客户端调用数据写入函数，将所述会话实体的报文头部信息与用户数据进行拼接，并通过UDP将拼接后的所述用户数据发送至所述服务端；

所述服务端实时监听UDP读写请求，在接收到拼接后的所述用户数据后，解析拼接后所述用户数据的报文头部并根据对应会话编号将拼接后的所述用户数据注入到所述会话实体中。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明提供了一种基于UDP协议的通信方法，通过借鉴TCP协议的优点，在应用层以算法的形式实现涵盖确认应答、超时重传、快速重传等的可靠传输机制，以耗费一定带宽的代价换取提高传输速率并稳定可靠通信的传输效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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它的附图。

图1是本发明实施例提供的基于UDP协议的通信方法中数据发送端与数据接收端的数据传输流程示意图；

图2是本发明实施例提供的基于UDP协议的通信系统的客户端与服务端数据传输方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本发明中，提供了一种基于UDP协议的通信系统和方法，通过借鉴TCP协议的优点，在应用层以算法的形式实现涵盖确认应答、超时重传、快速重传等的可靠传输机制，以耗费一定带宽的代价换取提高传输速率并稳定可靠通信的传输效果。

本发明提出的基于UDP协议的通信方法，其核心机制是在应用层上构建可靠通信机制，在UDP报文的基础上增加用于可靠性传输控制的报文头部构建用户数据报文。底层调用UDP协议的通信接口传输用户数据报文，目标端接收到用户数据报文后进行报文解析，根据报文头部信息触发应答、重传等处理流程，从而实现可靠传输。为此，该基于UDP协议的可靠通信方法中包括了确认应答、超时重传、快速重传、会话管理等机制，具体如下：

1.确认应答机制是指通信双方任意一方，在发送消息之后，都必须要收到对方的回复来表明自己发送的消息已经被对方接收。传输可靠性的首要要求就是发送方要确保自己的数据被对方收到。在数据传输过程中，对发送方发送的每条数据进行编号，正常情况下，接收方接收到数据后回复确认信息，表明已收到数据。

2.要保证所有的数据包都可以到达，必须要有重传机制。当网络出现数据包丢失、数据包重复或无序的情况，需要重传已被认为丢失的数据包。超时重传作为常见的重传机制，就是在发送方发送数据包后，会启动一个定时器，等待接收方的确认信息。如果在定时器超时之前没有收到确认信息，发送方会认为数据包已经丢失，会重新发送数据包。

3.重传机制除了基于计时器的超时重传外，还有基于接收端反馈信息的快速重传机制。快速重传不以时间为驱动，而是以数据驱动重传，和超时重传相比，快速重传能够更加及时和有效地修复丢包情况。在本发明的超时重传机制中，当收到三个冗余的确认信息，就不再等待超时时间，直接触发重传，减少丢包等待时间。

4.会话管理机制是在网络通信中，为了保证数据的安全性和可靠性，对通信过程中的会话进行有效的管理和控制的一种机制。会话管理通常包括会话的建立、维护和终止等环节，确保通信双方能够正常进行数据交换。本发明基于上述确认应答、重传机制提供基于UDP的可靠传输机制，为了保障通信可靠性，通信双方需协商一个会话编号，该会话编号会加入到数据报文头部的conv字段，只用会话编号一致的情况下才能完成数据收发。在实际的通信场景中，往往需要提供一对多的通信服务，因此需要构建会话管理机制用于支持一个服务端到多个客户端的通信。

根据图1所示，本实施例提供的一种基于UDP协议的通信方法，所述方法包括：

步骤S100：确定会话编号，所述会话编号用于数据发送端与所述数据接收端进行数据通信，所述数据接收端和所述数据发送端均包括一个或多个；

进一步的，步骤S100还包括：

进一步的，所述方法还包括：

步骤S110：所述数据发送端基于所述会话编号创建数据发送控制块，所述数据接收端基于所述会话编号创建数据接收控制块，

步骤S120：将所述待发送的数据包插入至所述数据发送控制块的发送队列；

步骤S130：所述数据发送端循环调用所述数据发送控制块的会话刷新模块，通过所述会话刷新模块将待发送的所述数据包基于UDP协议发送至所述数据接收端；

步骤S140：所述数据接收端通过UDP协议接收到所述数据包后，所述数据接收控制块解析所述数据包的报文头，根据所述数据包的报文头部信息进行所述数据包的重组和排序操作，获得所述数据包对应的用户数据，所述数据接收端发送确认应答至所述数据发送端；

步骤S150：如果所述数据发送端未收到所述确认应答，则通过调用所述数据接收控制块的会话刷新模块，触发所述数据发送端的重传机制进行所述对应所述数据包的重传，所述数据发送控制块存储已发送但未收到所述确认应答的数据包。

步骤S200：所述数据发送端将用户数据进行分片，并在分片后的所述用户数据增加报文头后进行数据组包，获得待发送的数据包；

进一步的，所述在分片后的所述用户数据增加报文头后进行数据组包，所述报文头的信息包括：

会话编号、报文类型、分片号、可用接收窗口大小、发送时间戳、报文序列号、待接收的序列号。

步骤S300：将待发送的所述数据包通过UDP协议发送至所述数据接收端；

步骤S400：所述数据接收端通过UDP协议接收到所述数据包后，对所述数据包进行解包操作，根据所述数据包的报文头部信息，所述数据接收端发送确认应答至所述数据发送端；

步骤S500：如果所述数据发送端收到所述确认应答，则完成所述数据包的发送；如果所述数据发送端未收到所述确认应答，则触发所述数据发送端的重传机制进行所述对应所述数据包的重传，直到所述数据发送端收到所述数据包的所有确认应答，所述重传机制包括超时重传和快速重传。

具体而言，数据发送端与所述数据接收端进行一对一的数据通信时，首先，数据发送方和数据接收方约定好会话编号，用于可靠通信会话的建立；其次，数据发送方基于会话编号创建可靠通信控制块，该控制块用于后续通信时候的可靠传输控制，包括确认应答、超时重传和快速重传等。数据发送方在真正发送用户数据前，首先进行数据分片操作，将较大的数据进行分片处理并添加用于控制的报文头，构建出标准的数据包，插入至控制块中的发送队列；再次，数据发送方需循环调用控制块中的会话刷新方法，该方法具体负责将用户数据报文、应答报文、需重传的报文通过UDP协议发送接口发送出去；之后，数据接收方基于会话编号创建可靠通信控制块，并监听指定端口等待UDP数据包的到来；最后，在获取到UDP数据包后，控制块会解析报文头，获取会话编号、报文类型、分片号、报文序列等信息，根据这些信息进行数据包重组和排序操作，最终解析出正确完整的用户数据。数据接收方也需循环调用控制块中的会话刷新方法，将需要应答或重传的数据包返回给目标端，从而确保数据的可靠传输；数据发送方的控制块会存储已发送但未收到确认信息的数据包，当超时时间过期或触发快速重传时，控制块会进行数据包重传操作，从而保证数据能够可靠地传输至数据接收端。

进一步的，所述超时重传中，获取所述数据发送端未收到所述确认应答的第一等待时间，当所述等待时间超出第一超时时间，则所述数据发送端进行所述对应所述数据包的重传，所述第一超时时间为预设值；获取重传之后所述数据发送端未收到所述确认应答的第二等待时间，当所述第二等待时间超出第二超时时间，则所述数据发送端进行下一次所述对应所述数据包的重传，所述第二超时时间是所述第一超时时间的1.5倍。

进一步的，预设所述快速重传的等待次数；如果所述数据发送端未收到第一数据包的确认应答，获取所述数据发送端在未收到所述第一数据包之后成功收到的确认应答数；如果所述确认应答数超过所述等待次数，则触发所述第一数据包的重发。

根据图2所示，本发明实施例第二方面还提供了一种基于UDP协议的通信系统，所述系统包括客户端和服务端，基于所述系统进行客户端与服务端一对多可靠数据通信的方法包括：

启动所述服务端，通过监听指定端口等待所述客户端的会话请求；

所述客户端通过指定会话信息创建控制块并向所述服务端发起所述会话请求，所述会话信息包括服务端IP、服务端端口号以及会话编号；

所述服务端接收到所述会话请求后，判断所述会话请求中的所述会话编号是否存在，如果所述会话编号存在，结束当前会话；

如果所述会话编号不存在，则所述服务端基于所述会话请求创建会话实体，并将所述会话实体存储于全局列表中进行管理；

所述客户端调用数据写入函数，将所述会话实体的报文头部信息与用户数据进行拼接，并通过UDP将拼接后的所述用户数据发送至所述服务端；

所述服务端实时监听UDP读写请求，在接收到拼接后的所述用户数据后，解析拼接后所述用户数据的报文头部并根据对应会话编号将拼接后的所述用户数据注入到所述会话实体中，从而完成与不同客户端的通信。

本发明实施例实现了如下技术效果：

本发明面向对传输时延和可靠性有一定要求的通信场景，基于传输层UDP协议，借鉴TCP协议中的可靠传输机制，在应用层以算法的形式实现涵盖确认应答、超时重传、快速重传等的可靠传输机制，以耗费一定带宽的代价换取提高传输速率并稳定可靠通信的传输效果。同时为了满足一对多的通信场景，构建了以会话编号为唯一标识的会话管理机制，通信双方需协商一个会话编号用于建立会话，只有会话编号一致的通信双方才能进行数据传输，进一步提高了数据传输的可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于UDP协议的通信方法，其特征在于，所述方法包括：

确定会话编号，所述会话编号用于数据发送端与数据接收端进行数据通信，所述数据接收端和所述数据发送端均包括一个或多个；

所述数据发送端将用户数据进行分片，并在分片后的所述用户数据的基础上增加报文头后进行数据组包，获得待发送的数据包；

将待发送的所述数据包通过UDP协议发送至所述数据接收端；

所述数据接收端通过UDP协议接收到所述数据包后，对所述数据包进行解包操作，根据所述数据包的报文头部信息，所述数据接收端发送确认应答至所述数据发送端；

如果所述数据发送端收到所述确认应答，则完成所述数据包的发送；如果所述数据发送端未收到所述确认应答，则触发所述数据发送端的重传机制进行所述对应所述数据包的重传，直到所述数据发送端收到所述数据包的所有确认应答，所述重传机制包括超时重传机制和快速重传机制。

2.根据权利要求1所述的一种基于UDP协议的通信方法，其特征在于，所述在分片后的所述用户数据的基础上增加报文头后进行数据组包，所述报文头的信息包括：

会话编号、报文类型、分片号、可用接收窗口大小、发送时间戳、报文序列号、待接收的序列号。

3.根据权利要求1所述的一种基于UDP协议的通信方法，其特征在于，所述方法包括：

所述超时重传机制中，获取所述数据发送端未收到所述确认应答的第一等待时间，当所述第一等待时间超出第一超时时间，则所述数据发送端进行所述对应所述数据包的重传，所述第一超时时间为预设值；

获取重传之后所述数据发送端未收到所述确认应答的第二等待时间，当所述第二等待时间超出第二超时时间，则所述数据发送端进行下一次所述对应所述数据包的重传，所述第二超时时间是所述第一超时时间的1.5倍。

4.根据权利要求1所述的一种基于UDP协议的通信方法，其特征在于，所述方法包括：

预设所述快速重传机制的等待次数；

如果所述数据发送端未收到第一数据包的确认应答，获取所述数据发送端在未收到所述第一数据包之后成功收到的确认应答数；

如果所述确认应答数超过所述等待次数，则触发所述第一数据包的重发。

5.根据权利要求1所述基于UDP协议的通信方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述数据发送端基于所述会话编号创建数据发送控制块，所述数据接收端基于所述会话编号创建数据接收控制块，

将所述待发送的数据包插入至所述数据发送控制块的发送队列；

所述数据发送端循环调用所述数据发送控制块的会话刷新模块，通过所述会话刷新模块将待发送的所述数据包基于UDP协议发送至所述数据接收端；

所述数据接收端通过UDP协议接收到所述数据包后，所述数据接收控制块解析所述数据包的报文头，根据所述数据包的报文头部信息进行所述数据包的重组和排序操作，获得所述数据包对应的用户数据，所述数据接收端发送确认应答至所述数据发送端；

如果所述数据发送端未收到所述确认应答，则通过调用所述数据接收控制块的会话刷新模块，触发所述数据发送端的重传机制进行所述对应所述数据包的重传，所述数据发送控制块存储已发送但未收到所述确认应答的数据包。

6.一种基于UDP协议的通信系统，其特征在于，所述系统包括客户端和服务端，基于所述系统进行数据通信的方法包括：

启动所述服务端，通过监听指定端口等待所述客户端的会话请求；

所述客户端通过指定会话信息创建控制块并向所述服务端发起所述会话请求，所述会话信息包括服务端IP、服务端端口号以及会话编号；

所述服务端接收到所述会话请求后，判断所述会话请求中的所述会话编号是否存在，如果所述会话编号存在，结束当前会话；

如果所述会话编号不存在，则所述服务端基于所述会话请求创建会话实体，并将所述会话实体存储于全局列表中进行管理；

所述客户端调用数据写入函数，将所述会话实体的报文头部信息与用户数据进行拼接，并通过UDP将拼接后的所述用户数据发送至所述服务端；

所述服务端实时监听UDP读写请求，在接收到拼接后的所述用户数据后，解析拼接后所述用户数据的报文头部并根据对应会话编号将拼接后的所述用户数据注入到所述会话实体中。