UDT協(xié)議-基于UDP的可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

1、UDT協(xié)議-基于UDP的可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議分類 : 其他    發(fā)布時(shí)間 : 2006-09-01 11:13:03    來(lái)源 : 技術(shù)文檔大全 UDT協(xié)議-基于UDP的可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議UDT協(xié)議-基于UDP的可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議 1.   介紹     隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬時(shí)延產(chǎn)品(BDP)的增加，通常的TCP協(xié)議開始變的低效。這是因?yàn)樗腁IMD（additive increase multiplicative decrease）算法徹底減少了TCP擁塞窗口，但不能快速的恢復(fù)可用帶寬。理論上的流量分析表明TCP在

2、BDP增加到很高的時(shí)候比較容易受包損失攻擊。 另外，繼承自TCP擁塞控制的不公平的RTT也成為在分布式數(shù)據(jù)密集程序中的嚴(yán)重問(wèn)題。擁有不同RTT的并發(fā)TCP流將不公平地分享帶寬。盡管在小的BDP網(wǎng)絡(luò)中使用通常的TCP實(shí)現(xiàn)來(lái)相對(duì)平等的共享帶寬，但在擁有大量BDP的網(wǎng)絡(luò)中，通常的基于TCP的程序就必須承受嚴(yán)重的不公平的問(wèn)題。這個(gè)RTT基于的算法嚴(yán)重的限制了其在廣域網(wǎng)分布式計(jì)算的效率，例如：internet上的網(wǎng)格計(jì)算。 一直到今天，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的TCP的提高一直都不能在高BDP環(huán)境中效率和公平性方面達(dá)到滿意的程度（特別是基于RTT的問(wèn)題）。例如：TCP的修改，RFC1423（高性能擴(kuò)展），RFC2018（

3、SACK）、RFC2582（New Reno）、RFC2883（D-SACK）、和RFC2988（RTO計(jì)算）都或多或少的提高了點(diǎn)效率，但最根本的AIMD算法沒有解決。HS TCP（RFC 3649）通過(guò)根本上改變TCP擁塞控制算法來(lái)在高BDP網(wǎng)絡(luò)中獲得高帶寬利用率，但公平性問(wèn)題仍然存在。 考慮到上面的背景，需要一種在高BDP網(wǎng)絡(luò)支持高性能數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏攨f(xié)議。我們推薦一個(gè)應(yīng)用程序級(jí)別的傳輸協(xié)議，叫UDT或基于UDP的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議并擁有用塞控制算法。 本文描述兩個(gè)正交的部分，UDP協(xié)議和UDT擁塞控制算法。一個(gè)應(yīng)用層級(jí)別的協(xié)議，位于UDP之上，使用其他的擁塞算法，然而這些本文中描述的算法也可以在

4、其他協(xié)議中實(shí)現(xiàn)，例如：TCP。 一個(gè)協(xié)議的參考實(shí)現(xiàn)叫UDT；詳細(xì)的擁塞控制算法的性能分析在GHG04中可以找到。 2.   設(shè)計(jì)目標(biāo)     UDT主要用在小數(shù)量的bulk源共享富裕帶寬的情況下，最典型的例子就是建立在光纖廣域網(wǎng)上的網(wǎng)格計(jì)算，一些研究所在這樣的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行他們的分布式的數(shù)據(jù)密集程序，例如，遠(yuǎn)程訪問(wèn)儀器、分布式數(shù)據(jù)挖掘和高分辨率的多媒體流。 UDT的主要目標(biāo)是效率、公平、穩(wěn)定。單個(gè)的或少量的UDT流應(yīng)該利用所有高速連接提供的可用帶寬，即使帶寬變化的很劇烈。同時(shí)，所有并發(fā)的流必須公平地共享帶寬，不依賴于不同的帶寬瓶勁、起始時(shí)間、RTT

5、。穩(wěn)定性要求包發(fā)送速率應(yīng)該一直會(huì)聚可用帶寬非常快，并且必須避免擁塞碰撞。 UDT并不是在瓶勁帶寬相對(duì)較小的和大量多元短文件流的情況下用來(lái)取代TCP的。 UDT主要作為TCP的朋友，和TCP并存，UDT分配的帶寬不應(yīng)該超過(guò)根據(jù)MAX-MIN規(guī)則的最大最小公平共享原則。（備注，最大最小規(guī)則允許UDT在高BDP連接下分配TCP不能使用的可用帶寬）。我們 3.   協(xié)議說(shuō)明     UDT是雙工的，每個(gè)UDT實(shí)體有兩個(gè)部分：發(fā)送和接收。發(fā)送者根據(jù)流量控制和速率控制來(lái)發(fā)送（和重傳）應(yīng)用程序數(shù)據(jù)。接收者接收數(shù)據(jù)包和控制包，并根據(jù)接收到的包發(fā)送控制包。發(fā)送和

6、接收程序共享同一個(gè)UDP端口來(lái)發(fā)送和接收。     接收者也負(fù)責(zé)觸發(fā)和處理所有的控制事件，包括擁塞控制和可靠性控制和他們的相對(duì)機(jī)制，例如RTT估計(jì)、帶寬估計(jì)、應(yīng)答和重傳。     UDT總是試著將應(yīng)用層數(shù)據(jù)打包成固定的大小，除非數(shù)據(jù)不夠這么大。和TCP相似的是，這個(gè)固定的包大小叫做MSS（最大包大小）。由于期望UDT用來(lái)傳輸大塊數(shù)據(jù)流，我們假定只有很小的一部分不規(guī)則的大小的包在UDT session中。MSS可以通過(guò)應(yīng)用程序來(lái)安裝，MTU是其最優(yōu)值（包括所有包頭）。     UDT擁塞控制算法將速率控制和

7、窗口（流量控制）合并起來(lái)，前者調(diào)整包的發(fā)送周期，后者限制最大的位被應(yīng)答的包。在速率控制中使用的參數(shù)通過(guò)帶寬估計(jì)技術(shù)來(lái)更新，它繼承來(lái)自基于接收的包方法。同時(shí)，速率控制周期是估計(jì)RTT的常量，流控制參數(shù)依賴于對(duì)方的數(shù)據(jù)到達(dá)速度，另外接收端釋放的緩沖區(qū)的大小。 UDT有兩種包：數(shù)據(jù)包和控制包。他們通過(guò)包頭的第一位來(lái)區(qū)分（標(biāo)志位）。如果是0，表示是數(shù)據(jù)包，1表示是控制包。 .    數(shù)據(jù)包 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下顯示： 0             &#

8、160;        1                  3                       4 0 1 

9、;2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 0 包序號(hào) 應(yīng)用數(shù)據(jù) 包序號(hào)是UDT數(shù)據(jù)包頭中唯一的內(nèi)容。它是一個(gè)無(wú)符號(hào)整數(shù)，使用標(biāo)志位后的31位，UDT使用包基礎(chǔ)的需要，例如，每個(gè)非重傳的包都增加序號(hào)1。序號(hào)在到達(dá)最大值231-1的時(shí)候覆蓋。緊跟在這些數(shù)據(jù)后面的是應(yīng)用程序數(shù)據(jù)。 .    控制包 控制包

10、結(jié)構(gòu)如下： 0                      1                  3          &

11、#160;            4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 1 類型 保留 ACK序號(hào) 控制信息字段 有6種類型的控制包在UDT中，bit1-3表示這些信息。前32位在包頭中

12、必須存在。控制信息字段包括0（例如，它不存在）或者多個(gè)32位無(wú)符號(hào)整數(shù)，這由包類型決定。 UDT使用應(yīng)答子序號(hào)的方法。每個(gè)ACK/ACK2包有一個(gè)無(wú)符號(hào)的16位序號(hào)，它獨(dú)立于數(shù)據(jù)包需要。它使用位16-31。應(yīng)答需要從0到（216-1）。位16-31在其他控制包中沒有定義。 類型 說(shuō)明 控制信息 000 協(xié)議連接握手 132位 UDT版本 232位內(nèi)部順序號(hào) 332位 MSS（字節(jié)） 432位最大流量窗口大?。ㄗ止?jié)）     001 保活 沒有 010 應(yīng)答，位16-31是應(yīng)答序號(hào) 132位包序號(hào)，先前接收到的包序號(hào) 232位，RTT（微秒） 332位，RTT 變量或者RTT

13、Var (微秒) 432位，流量窗口大?。ò臄?shù)量） 532位，連接容量估計(jì)（每秒包的數(shù)量） 011 Negative應(yīng)答（NAK） 丟失信息的32位整數(shù)數(shù)組，見3.9節(jié) 100 保留 這種類型的控制信息保留作為擁塞警告使用，從接收到發(fā)送端。一個(gè)擁塞警告能被ECN或包延遲增加趨勢(shì)的度量方法觸發(fā)。 101 關(guān)閉     110 應(yīng)答一個(gè)應(yīng)答（ACK2） 16-31位，應(yīng)答序號(hào)。 111 4-15的解釋 保留將來(lái)使用 注意，對(duì)于數(shù)據(jù)和控制包來(lái)說(shuō)，可以從UDP協(xié)議頭中得到實(shí)際的包大小。包大小信息能被用來(lái)得到有效的數(shù)據(jù)負(fù)載和NAK包中的控制信息字段大小。 UDT在接收端使用4個(gè)定時(shí)

14、器來(lái)觸發(fā)不同的周期事件，包括速率控制、應(yīng)答、丟失報(bào)告（negative應(yīng)答）和重傳/連接維護(hù)。 UDT中的定時(shí)器使用系統(tǒng)時(shí)間作為源。UDT接收端主動(dòng)查詢系統(tǒng)時(shí)間來(lái)檢查一個(gè)定時(shí)器是否過(guò)期。對(duì)于某個(gè)定時(shí)器T來(lái)說(shuō)，其擁有周期TP，將定變量t用來(lái)記錄最近T被設(shè)置或復(fù)位的時(shí)間。如果T在系統(tǒng)時(shí)間t0（t= t0）被復(fù)位，那么任何t1（t1-t>=TP）是T過(guò)期的條件。 四個(gè)定時(shí)器是：RC定時(shí)器、ACK定時(shí)器、NAK定時(shí)器、EXP定時(shí)器。他們的周期分別是：RCTP、ATP、NTP、ETP。 RC定時(shí)器用來(lái)觸發(fā)周期性的速率控制。ACK定時(shí)器用來(lái)觸發(fā)周期性的有選擇的應(yīng)答（應(yīng)答包）。RCTP和ATP是常量值

15、，值為：RCTP=ATP=0.01秒。 NAK被用來(lái)觸發(fā)negative應(yīng)答（NAK包）。重傳定時(shí)器被用來(lái)觸發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)包的重傳和維護(hù)連接狀態(tài)。他們周期依賴于對(duì)于RTT的估計(jì)。ETP值也依賴于連續(xù)EXP時(shí)間溢出的次數(shù)。推薦的RTT初始值是0.1秒，而NTP和ETP的初始值是：NTP=3*RTT，ETP=3*RTT+ATP。 在每次bounded UDP接收操作（如果收到一個(gè)UDP包，一些額外的必須的數(shù)據(jù)處理時(shí)間）時(shí)查詢系統(tǒng)時(shí)間來(lái)檢查四個(gè)定時(shí)器是否已經(jīng)過(guò)期。推薦的周期粒度是微秒。UDP接收時(shí)間溢出值是實(shí)現(xiàn)的一個(gè)選擇，這依賴于循環(huán)查詢的負(fù)擔(dān)和事件周期精確度之間的權(quán)衡。 速率控制事件更新包發(fā)送周期，U

16、DT發(fā)送端使用STP來(lái)安排數(shù)據(jù)包的發(fā)送。假定一個(gè)在時(shí)間t0被發(fā)送，那么下一次包發(fā)送時(shí)間是（t0+ STP）。換句話說(shuō)，如果前面的包發(fā)送花費(fèi)了t時(shí)間，發(fā)送端將等待（STP-t）來(lái)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包（如果STP-t <0，就不需要等待了）。這個(gè)等待間隔需要一個(gè)高精確度的實(shí)現(xiàn)，推薦使用CPU時(shí)鐘周期粒度。 .    數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和變量 ASND PKT歷史窗口：一個(gè)循環(huán)數(shù)組記錄每個(gè)數(shù)據(jù)包的開始時(shí)間 B發(fā)送端丟失鏈表：發(fā)送段丟失列表是一個(gè)連接鏈表，用來(lái)存儲(chǔ)被接收方NAK包中返回的丟失包序號(hào)。這些數(shù)字以增加的順序存儲(chǔ)。 .    數(shù)據(jù)發(fā)送算法

17、A如果發(fā)送端的丟失鏈表是非空的，重傳第一個(gè)在list中的包，并刪除該成員，到5。 B等待有應(yīng)用程序數(shù)據(jù)需要發(fā)送 C如果未應(yīng)答的包數(shù)量超過(guò)了兩量窗口的大小，轉(zhuǎn)到1。如果不是包裝一個(gè)新的包并發(fā)送它。 D如果當(dāng)前包的序號(hào)是16n，n是一個(gè)整數(shù)，轉(zhuǎn)第2步。 E在SND PKT歷史窗口中記錄包的發(fā)送時(shí)間 F如果這是自上次發(fā)送速率降低之后的第一個(gè)包，等外SYN時(shí)間。 G等外（STP t）時(shí)間，t是第1到第4步之間的總時(shí)間，然后轉(zhuǎn)到1。 .    數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和變量 A接收端丟失鏈表：是一個(gè)duple連接鏈表，元素的值包括：丟失數(shù)據(jù)包的序號(hào)、最近丟失包的反饋時(shí)間和包已經(jīng)被反饋的次數(shù)

18、。值以包序號(hào)增序的方式存儲(chǔ)。 B應(yīng)答歷史窗口：每個(gè)發(fā)送ACK的和時(shí)間一個(gè)循環(huán)數(shù)組；由于其循環(huán)的特性，意味著如果數(shù)組中沒有更多空間的時(shí)候新的值將覆蓋老的值。 CRCV PKT歷史窗口：一個(gè)用來(lái)記錄每個(gè)包到達(dá)時(shí)間的循環(huán)數(shù)組。 D對(duì)包窗口：一個(gè)用來(lái)記錄每個(gè)探測(cè)包對(duì)之間的時(shí)間間隔。 ELRSN：一個(gè)用來(lái)記錄最大接收數(shù)據(jù)包需要的變量。LRSN被初始化為初始序號(hào)減1。 .    數(shù)據(jù)接收算法 A查詢系統(tǒng)時(shí)間來(lái)檢查RC、ACK、NAK、或EXP定時(shí)器是否過(guò)期。如果任一定時(shí)器過(guò)期，處理事件（本節(jié)下面介紹）并復(fù)位過(guò)期的定時(shí)器。 B啟動(dòng)一個(gè)時(shí)間bounded UDP接收。如果每個(gè)包到

19、，轉(zhuǎn)1。 C設(shè)置exp-count為1，并更新ETP為：ETP=RTT+4*RTTVar + ATP。 D如果所有的發(fā)送數(shù)據(jù)包已經(jīng)被應(yīng)答，復(fù)位EXP時(shí)間變量。 E檢查包頭的標(biāo)志位。如果是一個(gè)控制包，根據(jù)類型處理它，然后轉(zhuǎn)1。 F如果當(dāng)前數(shù)據(jù)包的需要是16n+1，n是一個(gè)整數(shù)，記錄當(dāng)前包和上個(gè)在對(duì)包窗口中數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔。 G在PKT歷史窗口中記錄包到達(dá)時(shí)間 H如果當(dāng)前數(shù)據(jù)包的序號(hào)大于LRSN+1，將所有在（但不包括）這兩個(gè)值之間的序號(hào)放入接收丟失鏈表，并在一個(gè)NAK包中將這些序號(hào)發(fā)送給發(fā)送端。如果序號(hào)小于LRSN，從接收丟失鏈表中刪除它。 I   更新LRSN，轉(zhuǎn)1。 .