CN1545294A

CN1545294A - 一种用于媒体流传输和网络测量的实时数据传输控制方法

Info

Publication number: CN1545294A
Application number: CNA2003101136778A
Authority: CN
Inventors: 毅耿; 耿毅; 林宇; 金跃辉; 龚向阳; 王文东; 荆雷
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2004-11-10

Abstract

一种用于媒体流传输和网络测量的实时数据传输控制方法，该方法包括三个主要步骤：先使用三次握手建立TCP连接；然后采用适合于实时性应用的UDP协议方式传输数据，即在数据传输过程中不执行TCP协议定义的差错控制和流量控制的操作；最后在完成数据传输后，释放TCP连接。这样既防止了防火墙阻断数据传输，又保证数据传递的实时性，提高发送数据的速率。该方法可应用于需要穿过防火墙的实时性应用场合，例如IP电话、媒体流的传输、网络测量的探测数据流等；也可应用于任何既要使数据能够安全地通过防火墙到达主机、又要高速率发送数据的情况中。本发明为媒体流传输和网络测量等实时性应用数据的发送和接收提供了一种简便、高效、实时的传输实现方法。

Description

一种用于媒体流传输和网络测量的实时数据传输控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于实时性应用的数据传输控制方法，确切地说，涉及一种用于媒体流传输和网络测量等的实时数据传输控制方法，属于互联网通信技术领域。

背景技术

随着互联网的迅猛发展，传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)和用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)得到了广泛应用。其中，TCP协议提供的是面向连接、可靠的数据流传输服务；UDP协议提供的是无连接的、不可靠的、尽力的数据流传输服务，它只是把应用进程的数据封装成UDP数据包，并通过IP层发送出去，它不保证这些数据能正确到达目的地。

在使用TCP协议时，两个应用进程在彼此交换数据之前，必须先通过三次握手协议，建立一个TCP连接，然后通过该TCP连接发送数据，同时通过差错控制和流量控制机制来保证所发送的数据正确达到目的地；使用UDP协议时，应用进程无需建立连接，无需执行差错控制和流量控制。TCP协议保证了数据传输的可靠性，但是它的数据传输速率相对较慢；而UDP协议保证了数据传输的高速率以及实时性，但是它提供的是不可靠的、尽力的数据流传输服务。

从传输实时数据上看，由于TCP协议提供的是可靠的数据流传输服务，因此，在传输数据的时候要执行重传机制、滑动窗口等操作，这些操作虽然保证了数据传输的可靠性，但同时也破坏了数据传输的实时性；而UDP协议在传输数据的时候并不执行任何差错控制和流量控制，它所提供的尽力的数据流传输服务可以保证数据的实时性。

从网络安全的角度上看，由于TCP传输需要通过三次握手协议建立连接，因此，防火墙可以通过监视TCP连接的激活情况来保证只有本地安全策略授权的通信才允许通过防火墙。由于UDP不需要建立连接，所有以给定端口号为发送目标的数据均送往同一进程，而不管其源地址或端口号，所以黑客可以通过伪装某一个源地址或端口号向某个端口号发送大量UDP数据包进行恶意攻击。为了防止这种安全隐患的发生，防火墙通常会阻断UDP数据。

随着网络带宽的增长，媒体流的应用迅速发展，媒体流在整个网络流量中所占的比例迅速增长，使用什么传输协议来传输媒体流是一个急需解决的问题。目前，大多使用的是UDP协议，因为UDP可以保证数据传输的实时性。但是，现在很多网络为了保证自身的安全性都使用了防火墙等安全措施，防火墙会阻断UDP数据，这样就意味着这些媒体流不能到达目的地。在这种情况下，若使用TCP协议来传输媒体流，那么这些媒体流就能够通过防火墙到达目的地，但是对于媒体流的应用来说，TCP不能保证数据的实时性是一个致命的缺陷。

在网络测量方面也存在着同样的问题。目前，大多使用UDP协议来发送测量探测包进行主动测量，因为UDP协议的数据传输速率比较高。但由于防火墙的存在，使得UDP测量探测包不能到达目的主机，这也就意味着不能完成测量任务。在这种情况下，若使用TCP协议来发送探测包，就可以完成测量任务。但是，发送探测包的速率非常慢则是使用TCP协议的一个重大缺陷。

由此可见，UDP协议和TCP协议都不能完全满足媒体流传输和网络测量等实时性应用的需要。而且，在现有的各种传输层通信协议中，没有能够将TCP连接建立过程和UDP协议方式的收发数据包的通信过程结合在一起的通信协议。如何综合上述两种协议的优点，建立一种能够将TCP连接建立过程和能满足实时性应用需要的数据传输过程结合在一起的数据通信协议或者数据传输的实现方法，成为许多业内人士的期望和关注。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于媒体流传输和网络测量的实时数据传输控制方法，该方法为媒体流传输和网络测量等实时性应用的数据传输提供了一种简便、高效、实时的实现方法。

本发明的目的是这样实现的：一种用于媒体流传输和网络测量的实时数据传输控制方法，其特征在于：先在需要进行通信的两端主机间建立TCP连接，再在该两端主机之间按照适用于实时性应用的UDP协议方式传输数据，并在数据传输过程结束后，释放该TCP连接。

该方法包括下列步骤：

A、三次握手建立TCP连接：先由请求建立连接的源端向目的端发送建立连接请求，目的端在接收到该请求后，发送一个确认信息到源端，源端在接收到该确认信息后，再向目的端发回一个确认信息，表示TCP连接建立过程结束；

B、进行UDP方式的数据传输：源端不断地从发送队列中取出数据把它封装成TCP包，并发送到目的端，直到其将要发送的数据全部发送完毕；在该发送数据的过程中不必等待目的端的确认信息，也不执行任何差错控制和流量控制的操作；同时，目的端不断地从接收队列中接收数据，直到全部数据接收完毕；在该接收数据的过程中不必对每个数据包发送确认信息，也不执行任何差错控制和流量控制的操作；

C、释放TCP连接：在数据传输过程结束后，任何一端都可以主动发送释放连接请求，释放TCP连接；其中一端主动发送连接释放请求，另一端在收到该请求后，发回一个确认信息，就释放了一个方向的连接；然后另一端再发送连接释放请求，对端在接收到该请求后，也发回一个确认信息，就会释放另一个方向的连接，这样该TCP连接就释放了。

所述三次握手建立TCP连接的具体操作步骤如下：

A1、源端发送建立连接请求包，即TCP包头中的SYN位置位，该请求包的序号为一个随机的初始化序号X；

A2、目的端在接收到该建立连接请求包后，向源端发回一个该建立连接请求包的确认包，即TCP包头中的SYN位和ACK位都置位，该确认包的序号为另一个随机的初始化序号Y，确认序号为X+1；

A3、源端在接收到该确认包后，再向目的端发回一个对该确认包的确认信息，即TCP包头中的ACK位置位，该确认包的序号为X+1，确认序号为Y+1；

A4、目的端接收该确认包，表示TCP连接建立过程结束。

所述进行UDP方式的数据传输的具体操作步骤如下：

B1、源端不断地把发送队列中的数据封装成TCP包，并发送到目的端，直到其发送队列中没有数据发送为止，在该发送数据的过程中不必等待目的端发回确认信息；也不执行任何差错控制和流量控制的操作；

B2、目的端不断地从接收队列中接收数据，直到接收队列中没有数据为止，在该接收数据的过程中不必对每个数据包发送确认信息，也不执行任何差错控制和流量控制的操作。

所述释放TCP连接的具体操作步骤如下：

C1、当应用进程要求关闭连接时，源端发送连接释放请求包，即TCP包头中的FIN位置位，该请求包的序号为x，且x＝X+n，式中X为源端发送的第一个TCP包的初始序号，n为源端已经发送出去的数据字节数；

C2、目的端在接收到该连接释放请求包后，通知应用进程并发回一个对该请求包的确认包，即TCP包头中的ACK位置位，该确认包的确认序号为x+1；当源端接收到该确认包后，就释放了一个方向的连接；

C3、目的端发送连接释放请求包，即TCP包头中的FIN位置位，该请求包的序号为y，且y＝Y+m；式中Y为目的端发送的第一个TCP包的初始序号，m为目的端已经发送出去的数据字节数；

C4、源端在接收到该连接释放请求包后，通知应用进程并发回一个对该请求包的确认包，即TCP包头中的ACK位置位，该确认包的确认序号为y+1；当目的端接收到该确认包后，就释放了另一个方向的连接。

所述源端和目的端的操作可以互换进行。

本发明是一种用于媒体流传输和网络测量等的实时数据传输控制方法，该方法在发送数据之前，首先在需要进行通信的两端主机间通过防火墙建立一个TCP连接，然后在数据传输过程中不执行TCP协议定义的差错控制和流量控制的操作，而是采用适合于实时性应用的发送方式，即UDP协议方式来传输数据。

本发明的优点是：在需要进行通信的两端主机间通过防火墙建立一个TCP连接后，采用适合于实时性应用的发送方式，即UDP协议方式来传输数据，这样既可以提高发送数据的速率，保证数据的实时性，又可以防止防火墙阻断数据传输。该方法可以应用于需要穿过防火墙进行实时性数据传输的应用场合，例如IP电话、媒体流的传输、网络测量的探测数据流；也可以应用于任何既要使数据能够安全地通过防火墙到达主机、又要高速率发送数据的情况中。

附图说明

图1是本发明用于媒体流传输和网络测量等的实时数据传输控制方法的流程方框图。

图2是本发明用于媒体流传输和网络测量等的实时数据传输控制方法的具体操作步骤流程图。

具体实施方式

本发明是一种用于媒体流传输和网络测量等的实时数据传输控制方法，其是先在需要进行通信的两端主机间通过防火墙建立一个TCP连接后，采用适合于实时性应用的发送方式，例如UDP协议方式在该两端主机之间传输数据；即在数据传输过程中不执行任何差错控制和流量控制的操作，如同UDP协议中定义的那样，它只是把应用进程的数据封装成TCP数据包，并通过IP层发送出去，它不保证这些数据能够正确到达目的地。在完成数据传输后，再释放该TCP连接。

参见图1，本发明的数据传输控制方法包括下列三个主要步骤：

需要说明的是，上述的源端和目的端的操作可以互换进行。

参见图2，说明本发明的具体操作步骤：

1、图中步骤(1)-(3)是TCP连接建立的全过程，即三次握手协议。只有这三个包全部正确地到达其目的地，该TCP连接才能成功建立。其中TCP包头中的ACK(Acknowledgement)位表示对TCP包的确认；SYN(Synchronization)位表示请求建立连接。

2、图中步骤(4)-(9)是UDP方式的数据传输的过程。TCP连接是一个双向连接，两个方向都可以收发数据。原来的TCP协议中定义的数据传输过程中，使用了重传机制、滑动窗口、慢启动、拥塞避免等等机制来保证数据流传输的可靠性，但是，本发明的数据传输过程是适用于实时性应用的UDP传输方式。在收发数据的过程中不使用任何差错控制和流量控制机制，而是像UDP协议那样不断地发送或接收数据，而不管数据是否可靠地传输到目的端。

3、图中步骤(10)-(13)是释放TCP连接的全过程。TCP连接是一个双向连接，如果要完全释放一个TCP连接的话，必须分别释放这两个方向的连接。其中(10)和(11)这两个步骤释放了端点A到端点B方向的连接，这就意味这端点A不能再发送数据到端点B，但是此时端点B还能发送数据到端点A。(12)和(13)这两个步骤释放了端点B到端点A方向的连接，即该TCP连接完全释放，端点A和端点B之间不再能发送数据；除非重新建立一个TCP连接。图中TCP包头中的FIN位表示应用进程已经没有数据可以发送，于是通知对端释放该方向的连接。

本发明已经进行了实施试验，该试验是采用对linux内核代码中原有的TCP协议实现部分进行修改，实现了本发明在TCP连接上提供UDP协议方式的适用于实时性应用的传输方式。其中主要是对linux内核代码中网络部分跟TCP收发数据有关的函数进行相应的修改，即是在原TCP收发数据的函数省略一切跟流量控制和差错控制有关的操作，以及与此有关的判断条件，保留原有的发送队列和接收队列，以及对这些队列的操作。修改后进行的试验结果是成功的，实现了发明目的。

Claims

1、一种用于媒体流传输和网络测量的实时数据传输控制方法，其特征在于：先在需要进行通信的两端主机间建立TCP连接，再在该两端主机之间按照适用于实时性应用的UDP协议方式传输数据，并在数据传输过程结束后，释放该TCP连接。

2、根据权利要求1所述的数据传输控制方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：

3、根据权利要求2所述的数据传输控制方法，其特征在于：所述三次握手建立TCP连接的具体操作步骤如下：

A4、目的端接收该确认包，表示TCP连接建立过程结束。

4、根据权利要求2所述的数据传输的控制方法，其特征在于：所述进行UDP方式的数据传输的具体操作步骤如下：

5、根据权利要求2所述的数据传输控制方法，其特征在于：所述释放TCP连接的具体操作步骤如下：

6、根据权利要求4或5所述的数据传输控制方法，其特征在于：所述源端和目的端的操作可以互换进行。