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：2006-09-0111:13:03來源：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(additiveincreasemultiplicativedecrease)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)重問題。擁有不同RTT的并發(fā)TCP流將不公平地分享帶寬。盡管

2、在小的BDP網(wǎng)絡(luò)中使用通常的TCP實(shí)現(xiàn)來相對(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的問題)。例如：TCP的修改，RFC1423(高性能擴(kuò)展)，RFC2018(SACK)、RFC2582(NewReno)、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。HSTCP(RF

3、C3649)通過根本上改變TCP擁塞控制算法來在高BDP網(wǎng)絡(luò)中獲得高帶寬利用率，但公平性問題仍然存在。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

4、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、RTTo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取代TCP的。UDT主要彳為TCP的朋友，和TCP并存，UDT分配的帶寬不應(yīng)該超過根據(jù)MAX-MIN規(guī)則的最大最小公平共享原則。

5、(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)議說明3.1. 概述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)送和接收程序共享同一個(gè)UDP端口來發(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用來傳輸大塊數(shù)據(jù)流，

6、我們假定只有很小的一部分不規(guī)則的大小的包在UDTsession中。MSS可以通過應(yīng)用程序來安裝，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窗口（流量控制）合并起來，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)通過帶寬估計(jì)技術(shù)來更新，它繼承來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。3.2. 包結(jié)構(gòu)UDT有兩種包：數(shù)據(jù)包和控制包。他們通過包頭的第一位來區(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。3.2.1.數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下顯示：01340123456

7、78901234567890123456789010I 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2A31-1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)。3.2.2.控制包控制包結(jié)構(gòu)如下：013401234567890123456789012345678901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位無符號(hào)整數(shù)，這由包類型決定。UDT使用應(yīng)答子序

8、號(hào)的方法。每個(gè)ACK/ACK2包有一個(gè)無符號(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（2人16-1）。位16-31在其他控制包中沒有定義。類型說明控制信息000協(xié)議連接握手.32 位 UDT 版本32 位內(nèi)部順序號(hào)32 位 MSS（字節(jié)）4.32 位最大流量窗口大?。ㄗ止?jié)）001?；顩]有010應(yīng)答，位 16-31 是應(yīng)答序號(hào)1.32 位包序號(hào)，先前接收到的包序號(hào)e5232 位，RTT（微秒）e5232 位，RTT 變量或者 RTTVar（微秒）e5232 位，流量窗口大?。ò臄?shù)量）e5232 位，連接容量估計(jì)（每秒包的數(shù)量）011Negative 應(yīng)答（NAK）丟

9、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)。1114-15 的解釋保留將來使用注意，對(duì)于數(shù)據(jù)和控制包來說，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。3.3. 定時(shí)器UDT在接收端使用4個(gè)定時(shí)器來觸發(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)

10、間來檢查一個(gè)定時(shí)器是否過期。對(duì)于某個(gè)定時(shí)器T來說，其擁有周期TP,將定變量t用來記錄最近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)器用來觸發(fā)周期性的速率控制。ACK定時(shí)器用來觸發(fā)周期性的有選擇的應(yīng)答（應(yīng)答包）。RCTP和ATP是常量值，值為：RCTP=ATP=0.01秒。NAK被用來觸發(fā)negative應(yīng)答（NAK包）。重傳定時(shí)器被用來觸發(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)。

11、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boundedUDP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)間來檢查四個(gè)定時(shí)器是否已經(jīng)過期。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，UDT發(fā)送端使用STP來安排數(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，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）來發(fā)送下

12、一個(gè)數(shù)據(jù)包（如果STP-t0,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。3.4. 發(fā)送端算法3.4.1.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和變量A.SNDPKT 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)。3.4.2.數(shù)據(jù)發(fā)送算法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 1

13、6n,n 是一個(gè)整數(shù)，轉(zhuǎn)第 2 步。E.在 SNDPKT 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-1）時(shí)間，t 是第 1 到第 4 步之間的總時(shí)間，然后轉(zhuǎn)到 1。3.5. 接收端算法3.5.1.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)。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。C.RCVPKT 歷史窗口：一個(gè)用來記錄每

14、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)用來記錄每個(gè)探測(cè)包對(duì)之間的時(shí)間間隔。E.LRSN:一個(gè)用來記錄最大接收數(shù)據(jù)包需要的變量。LRSN 被初始化為初始序號(hào)減 1。據(jù)接收算法A.查詢系統(tǒng)時(shí)間來檢查 RC、ACK、NAK、或 EXP 定時(shí)器是否過期。如果任一定時(shí)器過期，處理事件（本節(jié)下面介紹）并復(fù)位過期的定時(shí)器。B.啟動(dòng)一個(gè)時(shí)間 boundedUDP 接收。如果每個(gè)包到，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

15、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,車專1。C 定時(shí)器到通過速率控制算法來更新STP（見3.6節(jié)）。過程如下：A.按照下面的原則查找接收端所接收到的所有包之前的序號(hào)：如果接收者丟失鏈表是空的，ACK 號(hào)碼是LRSN+1,否則是在接收丟失隊(duì)列中的最小序號(hào)。B.如果應(yīng)答號(hào)不大于曾經(jīng)被 ACK2 應(yīng)答的最大應(yīng)答號(hào)，或等于上次應(yīng)答的應(yīng)答號(hào)并且兩次應(yīng)答之間的時(shí)間間隔小于RTT+4*RTTVar，停止（不發(fā)送應(yīng)答）。C.分配這個(gè)應(yīng)答一個(gè)唯一增加的 ACK 序列號(hào)，推薦采用 ACK 序列號(hào)按步驟 1 增加，并且重疊在達(dá)到最大值之后。D.根據(jù)下面的算法來計(jì)算包的抵達(dá)速度：使用 PKT 歷史窗口中的值計(jì)算最近 16 個(gè)包抵達(dá)間隔（AI）中值。在這 16 個(gè)值中， 刪除那些大于 AI*8 或小于 AI*8 的包， 如果最后剩余 8 個(gè)值， 計(jì)算他們的平均值（AI,） 包抵達(dá)速度是 1/AI（每秒包的數(shù)量），否則是 0。E.根據(jù) 3.7 節(jié)中的內(nèi)