udp協(xié)議篇1
關(guān)鍵詞：UDP協(xié)議；Socket；網(wǎng)絡(luò)通信
中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)34-1867-02
Socket Network Programs Based on UDP Protocol
ZHOU Li-juan
(College of Science, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412008, China)
Abstract: Windows Socket is a network programming interface,and applications can correspond to eachother in different domains without worrying about the different protocols by using it.This paper introduces the mechanism and principle of Socket network programs based on UDP protocol,and proposes a method of network with Java socket.
key words: UDP protocol;socket; network communication
Socket適用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的進(jìn)程間通信，它已成為當(dāng)前許多操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)API，也是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中必不可少的基礎(chǔ)功能。隨著Linux操作系統(tǒng)和Internet的不斷發(fā)展，Linux網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下尤其是基于UDP的socket通信技術(shù)仍廣為注目。文章介紹了socket的編程原理，并通過(guò)一個(gè)Java編寫的客戶/服務(wù)器程序，描述了網(wǎng)絡(luò)中基于UDP的不同主機(jī)上的兩個(gè)進(jìn)程之間的socket通信機(jī)制。
1 Socket通信機(jī)制
Socket（套接字）機(jī)制是一種API，是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的編程接口。Socket是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)文件描述符和其它程序通訊的一個(gè)方法。每一個(gè)套接字都用一個(gè)半相關(guān)描述：{協(xié)議，本地地址、本地端口}來(lái)表示；一個(gè)完整的套接字則用一個(gè)相關(guān)描述：{協(xié)議，本地地址、本地端口、遠(yuǎn)程地址、遠(yuǎn)程端口}，每一個(gè)套接字都有一個(gè)本地的由操作系統(tǒng)分配的唯一的套接字號(hào)。
根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)類型的不同，Socket主要分為三類：1) 流式Socket（SOCK_STREAM），在這種方式下，兩個(gè)通訊的應(yīng)用程序之間要先建立一種虛擬的連接，提供可靠的、面向連接的通信流，它使用TCP協(xié)議，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和順序的。2) 數(shù)據(jù)報(bào)Socket（SOCK_DGRAM），它使用數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP，定義了一種無(wú)連接的服務(wù)，數(shù)據(jù)通過(guò)相互獨(dú)立的報(bào)文進(jìn)行傳輸，是無(wú)序的，并且不保證可靠、無(wú)差錯(cuò)。3) 原始Socket，原始套接字允許對(duì)底層協(xié)議如IP或ICMP直接訪問，它功能強(qiáng)大但使用較為不便，主要用于一些協(xié)議的開發(fā)。
2 UDP協(xié)議的工作原理
UDP協(xié)議是一個(gè)面向無(wú)連接的協(xié)議，其連接的建立不必像TCP那樣需要服務(wù)器端偵聽，也不需要有客戶機(jī)請(qǐng)求連接，屬于一種“強(qiáng)制”性的網(wǎng)絡(luò)連接。UDP提供一對(duì)一或一對(duì)多的、無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)。該服務(wù)對(duì)消息中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)提供不可靠的、最大努力的傳送，這意味著它不保證數(shù)據(jù)的到達(dá)，也不保證所傳送的數(shù)據(jù)報(bào)的順序是否正確，UDP不重新傳輸丟失的數(shù)據(jù)。其主要工作是：將應(yīng)用程序傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)分塊交給網(wǎng)絡(luò)層，確認(rèn)接受到分組信息。
盡管UDP無(wú)法像TCP一樣提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，但UDP并不比TCP缺乏優(yōu)越性。UDP在傳輸效率方面比TCP要高一些，而且許多應(yīng)用程序并不需要保證嚴(yán)格的傳輸可靠性，比如視頻會(huì)議系統(tǒng)等，需要實(shí)時(shí)的交互，但并不要求音頻視頻的絕對(duì)正確。
使用UDP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，首先設(shè)置客戶計(jì)算機(jī)的Local Port(本地端口)屬性，而作為服務(wù)器的計(jì)算機(jī)只需要設(shè)置Remoter Host(遠(yuǎn)程主機(jī))屬性為客戶計(jì)算機(jī)的IP地址或域名即可，并將其Remote Port屬性設(shè)置為客戶計(jì)算機(jī)上的Local Port屬性。使用UDP端口號(hào)時(shí)，端口提供了用于發(fā)送消息的位置，每個(gè)端口由一個(gè)唯一的編號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)。當(dāng)應(yīng)用程序向另一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，UDP生成一個(gè)數(shù)據(jù)頭，包括源端口，這些端口提供送達(dá)信息所需要的地址。UDP協(xié)議還為數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)頭計(jì)算出求和檢驗(yàn)的值，在目標(biāo)計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)包被傳遞至UDP協(xié)議程序并送到目的地端口。
3 UDP套接字的通信過(guò)程
中提供了兩個(gè)類DatagramSocket和DatagramPacket用來(lái)支持?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)通信。DatagramSoc ket用來(lái)在程序之間建立傳送數(shù)據(jù)報(bào)的通信連接，是數(shù)據(jù)報(bào)通信中的Socket。在數(shù)據(jù)報(bào)實(shí)現(xiàn)C/S通信程序時(shí)，無(wú)論在客戶端還是服務(wù)器端，都要首先建立一個(gè)DatagramSocket對(duì)象，用來(lái)表示數(shù)據(jù)報(bào)通信的端點(diǎn)，應(yīng)用程序通過(guò)Socket接收或發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)。
DatagramPacket則用來(lái)表示一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，它是傳輸數(shù)據(jù)的載體，封裝了數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)報(bào)地址等信息。
采用UDP套接字方式實(shí)現(xiàn)C/S的通信程序由客戶端和服務(wù)器端兩部分組成。服務(wù)器進(jìn)程依次按以下步驟進(jìn)行：1) 調(diào)用Socket()創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)套接字；2) 調(diào)用bind()把服務(wù)器地址綁定在該套接字上；3) 調(diào)用recvform()等待客戶進(jìn)程發(fā)來(lái)的請(qǐng)求，服務(wù)器此時(shí)處于無(wú)限循環(huán)狀態(tài)；4) 服務(wù)進(jìn)程接收到客戶進(jìn)程所發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)后，進(jìn)行處理，調(diào)用sendto()將處理結(jié)果返回給客戶進(jìn)程，返回狀態(tài)3)，繼續(xù)監(jiān)聽；5)服務(wù)進(jìn)程調(diào)用close()撤消套接字，終止服務(wù)。
客戶進(jìn)程則按以下步驟進(jìn)行：1) 調(diào)用Socket()創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)流套接字；2) 調(diào)用sendto()向服務(wù)器進(jìn)程發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)；3) 調(diào)用recvfrom()等待服務(wù)器進(jìn)程返回該處理結(jié)果；4) 客戶進(jìn)程調(diào)用close()撤消套接字。
4 數(shù)據(jù)報(bào)通信實(shí)例
程序由服務(wù)器端和客戶端兩部分組成，服務(wù)器端主機(jī)中有一個(gè)名為“udp_socket.txt”文件，文件中保存了一段英文。服務(wù)器端接收一個(gè)客戶端的請(qǐng)求，就從文件中讀取若干個(gè)英文字符發(fā)送給客戶端。當(dāng)文件中所有內(nèi)容發(fā)送給完畢，服務(wù)器端程序?qū)⑼顺觥？蛻舳耸紫葮?gòu)造一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送給服務(wù)器端，然后等待接受服務(wù)器端響應(yīng)，當(dāng)接收到服務(wù)器端的數(shù)據(jù)報(bào)后，顯示數(shù)據(jù)并結(jié)束通信。
1) 服務(wù)器端程序
public class Server_Th
{ boolean m_q=true;
public void serverWork() throea IOException
{DatagramSocket ds=new DatagramSocket(2000)
//創(chuàng)建端口號(hào)為2000的數(shù)據(jù)報(bào)套接字
BufferedReader in=new BufferedReader(new FileReader (“udp_socket.txt”));
while(m_q)
{ byte buf[ ]=new byte[256];//創(chuàng)建緩沖區(qū)
DatagramPacket packet=new DatagramPacket (buf, buflength); //創(chuàng)建接收數(shù)據(jù)報(bào)對(duì)象
ds.receive(packet);//接收數(shù)據(jù)報(bào)
String dString=null;
if((dString=in.reaLine())==null)
{in.close();
m_q=false;
dString=”Good Morning!”;}
buf=dString.getBytes();//將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到buf中
inetAddress address=packet.getAddress();
//得到客戶端IP地址
int prot=packet.getPort();//得到客戶端的端口
packet=new DatagramPacket (buf,buf.length, address. port );
//構(gòu)造要發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)
ds.send(packet);//發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)
}
ds.close();//關(guān)閉
}
public void main(String args[])
{ Server_Th server=new Server_Th();
try
{server.serverWork();}
Catch(IOException e){}
}}
2) 客戶端程序
public class Client_Th
{public void main(String args[ ]) throws IOException
{ DatagramSocket socket=new DatagramSocket( );
//創(chuàng)建套接字對(duì)象
byte buf[ ]=new byte[256];
InetAdress address=InetAddress.getByName(“20.14.30.9”);
//服務(wù)器IP地址
DatagramPacket packet=new DatagramPacket(buf,buf. Length,address,2000);//創(chuàng)建要發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)對(duì)象
socket.send(packet);//接收數(shù)據(jù)報(bào)
packet=new DatagramPacket(buf,buf.length);
//創(chuàng)建要接收的數(shù)據(jù)報(bào)對(duì)象
socket.receive(packet);//接收數(shù)據(jù)報(bào)
String received=new String(packet.getData());
System.out.println(“The string form the server: ”+recerived);
//取得數(shù)據(jù)報(bào)中的數(shù)據(jù)并顯示
Socket.close();//關(guān)閉socket
}}
編寫程序時(shí)客戶端和服務(wù)器端的DatagramSocket必須用一個(gè)端口，因?yàn)榭蛻舳讼蚍?wù)器端請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器需要知道從哪個(gè)端口監(jiān)聽請(qǐng)求。當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時(shí)，服務(wù)器從接收到的數(shù)據(jù)報(bào)中得到客戶端的接收數(shù)據(jù)的端口，然后將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到這個(gè)端口，客戶端則監(jiān)聽這個(gè)端口而得到服務(wù)器端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)并顯示其內(nèi)容。運(yùn)行時(shí)要先運(yùn)行服務(wù)器端程序，再運(yùn)行客戶端程序。
5 小結(jié)
Socket在網(wǎng)絡(luò)編程方面發(fā)揮著很大的作用。UDP是可靠性無(wú)法得到保障的協(xié)議，但對(duì)于質(zhì)量要求不是很高的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，UDP是一個(gè)很好的選擇。
參考文獻(xiàn)：
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[3] 趙文清.淺析用Socket的Java語(yǔ)言網(wǎng)絡(luò)通訊機(jī)制和程序設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù),2002(7):66-67.
udp協(xié)議篇2
關(guān)鍵詞：arm；linux；交叉編譯環(huán)境；udp協(xié)議；重發(fā)機(jī)制；重發(fā)次數(shù)
中圖分類號(hào)：tp393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：1009-3044(2011)13-3001-03
the application research of communicating based on arm-linux environment and udp-protocol
cui hao, shao ping-fan
(wuhan university of science and technology, wuhan 430000, china)
abstract: the sender and receiver are relatively independent when communicating under udp- protocol, the sender resending messages to receiver times instead of creating a connection. a resend-mechanism that the key-messages were send by upper computer in fixed times, was used in order to ensuring not to lost key-message. although the resend-mechanism can ensure that the key-message wouldn’t be lose anyway, but abundant of redundancy messages were send through the network device lead to inefficency, obviously more resend-times more inefficency. so, how to determine the resend-times become the crucial to improve the efficiency while ensuring the messages were send accurately. a method of determining the resend-times will be given as following.
key words: arm; linux; crossing compile evironment; udp-protocol; resend mechanism; resend times
udp協(xié)議以其高效性和應(yīng)用的簡(jiǎn)單，被廣泛運(yùn)用于嵌入式網(wǎng)絡(luò)開發(fā)中。由于udp協(xié)議的應(yīng)用簡(jiǎn)單，在嵌入式設(shè)備開發(fā)過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)資源的利用率并不高。以下將介紹一個(gè)udp具體項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)過(guò)程，描述arm-linux環(huán)境的軟硬件環(huán)境構(gòu)建過(guò)程，并對(duì)udp協(xié)議下一種重發(fā)模式中上位機(jī)的重發(fā)次數(shù)的確定提出一種可行的方法。
1 研究背景
隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式設(shè)備已經(jīng)在許多領(lǐng)域取代了傳統(tǒng)的微型機(jī)設(shè)備。本文的選題主要來(lái)自于實(shí)習(xí)期間承接的一項(xiàng)改造項(xiàng)目：某院校特長(zhǎng)生評(píng)分系統(tǒng)的改造。項(xiàng)目改造目的有：1) 保留原上位機(jī)。2) 改用手持式客戶端進(jìn)行顯示及評(píng)分操作。3)保留原有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。針對(duì)要求，我們使用s3c2440作為硬件平臺(tái)，移植linux操作系統(tǒng)，并在arm-linux環(huán)境下研究了udp協(xié)議的通信過(guò)程，進(jìn)行了上位機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的udp協(xié)議通信實(shí)驗(yàn)及分析，并給出一種重發(fā)機(jī)制中的發(fā)送次數(shù)求法。
2 硬件平臺(tái)介紹
s3c2440處理速度達(dá)到了400mhz，具有較高的性價(jià)比。為了提高開發(fā)效率，我們采用公司自行研制開發(fā)的et-s3c2440開發(fā)板。
2.1 et-s3c2440開發(fā)板簡(jiǎn)介
et-s3c2440是公司自行開發(fā)的一款arm9架構(gòu)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)板，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1。
核心板的主要器件有：32mb×2片sdram，64mb norflash，512mb nandflash。設(shè)計(jì)了啟動(dòng)方式可選，通過(guò)開關(guān)選擇從nandflash或norflash啟動(dòng)。
2.2 實(shí)驗(yàn)相關(guān)電路說(shuō)明
底板電路主要功能是輸入輸出以及網(wǎng)絡(luò)通訊功能。按鍵輸入部分采用掃描方式獲得輸入，用一個(gè)單向地址鎖存器和一個(gè)雙向地址鎖存器與地址總線相連，可以通過(guò)掃描地址來(lái)獲得按鍵輸入。lcd采用三星的3.5寸tft屏作為顯示輸出設(shè)備。網(wǎng)卡芯片選用的是與原設(shè)備匹配的10m 的cs8900a，關(guān)于cs8900a與s3c2440的硬件連接，有眾多資源可供參考，本文不再贅述。
3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)的構(gòu)建
硬件平臺(tái)搭建完畢后要將操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序在硬件平臺(tái)上運(yùn)行起來(lái)。以下是對(duì)嵌入式linux操作系統(tǒng)移植的過(guò)程。
3.1 交叉編譯環(huán)境的構(gòu)建
linux 2.6.29.1版本的內(nèi)核可以登錄到kernel.org下載。本文選擇的是arm-linux-gcc-4.3.2工具鏈(ftp://ftp.arm.linux.org.uk/pub/armlinux/toolchain)
在宿主機(jī)上進(jìn)入linux系統(tǒng)，切換當(dāng)前目錄到工具鏈所在目錄，新建一個(gè)arm目錄保存解壓后的文件(mkdir /user/local/arm)并將arm-linux-gcc-4.3.2解壓到這個(gè)目錄中(tar jxvf arm-linux-gcc-4.3.2 –c /user/local/arm)。然后將環(huán)境變量$path修改一下，讓$path中包含有arm-linux-gcc所在的目錄(編輯/etc/profile 添加語(yǔ)句”export path=/user/local/arm/4.3.2/bin:$path”)，然后reboot一下，這樣交叉編譯環(huán)境就構(gòu)建好了。
3.2 bootloader的移植
vivi是一款相當(dāng)成熟和相對(duì)簡(jiǎn)單的常用bootloader，我們以vivi為移植原型，將s3c2440所有io端口寄存器定義添加到頭文件2440add.inc，刪除部分硬件平臺(tái)使用不到的代碼，最后將修改過(guò)的vivi制作成鏡像燒錄到flash中。[1]
3.3 linux內(nèi)核移植
獲取linux-2.6.29.1源代碼并解壓后，首先修改內(nèi)核源代碼所在目錄中的makefile，將系統(tǒng)架構(gòu)修改為arm(arch ?=arm ),交叉編譯工具修改為arm-linux-gcc (cross_compile ?=arm-linux-)，修改輸入時(shí)鐘(arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c中的函數(shù)static void __init smdk2440_map_io中，修改s3c24xx_init_clocks(12000000)此處所用晶振為12m)。修改machine名稱(在arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c文件中的函數(shù)machine_start( ),修改為machine_start(s3c2440, “自定義機(jī)器名”)，修改nandflash分區(qū)信息(arch/arm/plat-s3c24xx/common-smdk.c結(jié)構(gòu)體static struct mtd_partition smdk_default_nand_part[]中保存的是nandflah的分區(qū)信息，將其修改為當(dāng)前使用的分區(qū)信息),然后修改nandflash的匹配時(shí)間(3c2410_platform_nand_smdk_nand_info smdk_nand_info ={})。
上述內(nèi)核源代碼修改完成后，還需要對(duì)一些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行修改。本文使用的nec 3.5寸 320×240液晶屏，硬件平臺(tái)使用gpg4腳進(jìn)行背光控制，需要修改lcd背光(/arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c中static void __init smdk2440_machine_init(void)，將函數(shù)中的gpio口配置為gpg4)。關(guān)于cs8900a網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)移植，相關(guān)資源很豐富，本文也不再贅述。
本實(shí)驗(yàn)中nandflash采用的是yaffs2文件系統(tǒng)，所以打yaffs2文件系統(tǒng)補(bǔ)丁，壓縮包為cvs-root.tar.gz。
至此，linux的內(nèi)核源代碼修改工作完成了，下面還需要利用makefile,進(jìn)行內(nèi)核配置。
在linux 2.6.29.1內(nèi)核目錄下首先make s3c2410_defconfig使用2410的配置模板來(lái)配置2440；然后make menuconfig,這時(shí)我們可以在圖形化界面中，空格鍵可改變各個(gè)配置選項(xiàng)的被選中狀態(tài)，根據(jù)需要進(jìn)行配置即可。配置完成后保存好配置，最后進(jìn)行內(nèi)核的編譯(make dep 建立文件間依賴 make clean 清除編譯殘留文件make zimage 生成內(nèi)核壓縮鏡像文件)。
編譯過(guò)程完成后會(huì)在內(nèi)核目錄arch/arm/boot/下生成zimage內(nèi)核映像文件，將這個(gè)鏡像文件燒錄到flash中，調(diào)試檢驗(yàn)，經(jīng)上述修改后的內(nèi)核工作運(yùn)行正常。
3.4 根文件系統(tǒng)的制作
根文件系統(tǒng)是使用busybox-1.13.3來(lái)制作完成。下載busybox并解壓完成后，修改makefile中的架構(gòu)為arm架構(gòu)，編譯工具為arm-linux-gcc( arch ?=arm； cross_compile ?=arm-linux-),然后make menuconfig,通過(guò)圖形界面對(duì)busybox進(jìn)行配置，然后對(duì)busybox進(jìn)行編譯(make config_prefix=/opt/studyarm/rootfs install)，在目標(biāo)目錄下會(huì)生成目錄bin、sbin、usr和文件linuxrc的內(nèi)容。
基本目錄結(jié)構(gòu)生成后，應(yīng)該在目標(biāo)目錄下建立一些未生成的必要的系統(tǒng)目錄如dev、etc、lib等，并通過(guò)chmod命令改變目錄權(quán)限為可寫。再將一些必要的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和靜態(tài)庫(kù)拷貝到lib下，然后在dev目錄下創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)，最后創(chuàng)建該嵌入式linux系統(tǒng)的初始化配置文件(包括設(shè)備列表文件、口令、網(wǎng)絡(luò)分組組名、hostname主機(jī)名、etc/inittab初始化表單、etc/profile環(huán)境變量配置文件、用于系統(tǒng)初始化的.bash腳本文件等)。[2]由于本實(shí)驗(yàn)需對(duì)網(wǎng)絡(luò)編程，要求自動(dòng)初始化cs8900a網(wǎng)卡芯片的ip地址、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼等，所以在開機(jī)自啟動(dòng)腳本中加入ifconfig語(yǔ)句，使得開機(jī)時(shí)自動(dòng)配置網(wǎng)卡參數(shù)。
根文件系統(tǒng)構(gòu)建完成后，使用yaffs2文件系統(tǒng)制作工具mkyaffs2image.tgz，通過(guò)命令mkyaffs2image rootfs rootfs.img生成根文件系統(tǒng)鏡像，然后將鏡像燒寫入flash中。
4 arm-linux環(huán)境下的udp協(xié)議通信實(shí)驗(yàn)
經(jīng)過(guò)上述硬件設(shè)計(jì)和操作系統(tǒng)移植過(guò)程，本文所使用到的實(shí)驗(yàn)環(huán)境已經(jīng)構(gòu)建完畢，經(jīng)反復(fù)調(diào)試修改，嵌入式linux操作系統(tǒng)在平臺(tái)下運(yùn)行正常，于是進(jìn)行udp協(xié)議通信實(shí)驗(yàn)。
4.1 udp協(xié)議套接字編程基礎(chǔ)
udp是一個(gè)面向數(shù)據(jù)報(bào)和無(wú)連接的簡(jiǎn)單傳輸層協(xié)議，它不像tcp那樣通過(guò)握手過(guò)程建立服務(wù)器與客戶端的連接才可以工作。在網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量較好的情況下，udp體現(xiàn)出高效率，這適合于傳送少量報(bào)文的應(yīng)用。[3] linux系統(tǒng)是通過(guò)套接字結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程的，應(yīng)用程序通過(guò)對(duì)套接字的幾個(gè)函數(shù)調(diào)用，會(huì)返回一個(gè)用于通信的套接字描述符,而linux應(yīng)用程序在進(jìn)行任何形式的i/o操作時(shí)，程序?qū)嶋H上是在讀寫一個(gè)文件描述符。[4]因此linux下的套接字編程，可以看成是對(duì)普通文件描述符的操作，這些操作與被使用的硬件平臺(tái)無(wú)關(guān)，這是linux設(shè)備無(wú)關(guān)性的優(yōu)點(diǎn)。udp協(xié)議的通信模型如圖3所示。
在上述流程中，客戶端所收到的報(bào)文被存儲(chǔ)在緩沖區(qū)中，recvfrom()函數(shù)返回了報(bào)文存儲(chǔ)緩沖區(qū)的首地址，我們可以很方便地對(duì)這個(gè)首地址進(jìn)行數(shù)組操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)文的解碼。
4.2 上位機(jī)報(bào)文結(jié)構(gòu)及重發(fā)機(jī)制分析
根據(jù)項(xiàng)目要求，上位機(jī)軟件依然保留，我們使用協(xié)議嗅探工具對(duì)上位機(jī)發(fā)送的報(bào)文進(jìn)行了嗅探，得到了上位機(jī)報(bào)文的結(jié)構(gòu)如表1所示。
表1 上位機(jī)報(bào)文結(jié)構(gòu)
上位機(jī)發(fā)出的每條報(bào)文由32個(gè)字節(jié)組成，第0位為版本信息。第1……12位為比賽信息和運(yùn)動(dòng)員教練信息，是報(bào)文的關(guān)鍵信息部分，13……22位為服務(wù)器端和客戶端的ip地址及端口號(hào)信息，23位是上位機(jī)對(duì)客戶端的操作指令代碼，24位是相關(guān)重發(fā)機(jī)制的代碼，30和31兩位是checksum，用來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_。上位機(jī)采用的重發(fā)機(jī)制是一種上位機(jī)按照固定重發(fā)次數(shù)多次發(fā)送同一關(guān)鍵內(nèi)容報(bào)文的機(jī)制，其第24位重發(fā)機(jī)制位被分為高4位和低4位兩部分，高四位的內(nèi)容是當(dāng)前發(fā)送的報(bào)文的索引號(hào)，每次發(fā)送一條新內(nèi)容的報(bào)文時(shí)索引號(hào)自增1，索引號(hào)的取值范圍在0x00—0xff范圍內(nèi)循環(huán)自增。低四位是重發(fā)編號(hào)，表示同一索引號(hào)的報(bào)文正在被第幾次重發(fā)，固定的重發(fā)次數(shù)由上位機(jī)初始化時(shí)設(shè)定。
4.3 嵌入式客戶端的實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)
針對(duì)報(bào)文結(jié)構(gòu)，我們對(duì)接收端編寫實(shí)驗(yàn)程序代碼，代碼的主要功能是從上位機(jī)接收?qǐng)?bào)文，將計(jì)算出的checksum校驗(yàn)和與收到的校驗(yàn)和對(duì)比判斷報(bào)文是否正確，然后從正確報(bào)文中取出主要信息并按照?qǐng)?bào)文中的上位機(jī)指令碼進(jìn)行輸出。其結(jié)構(gòu)流程圖如圖3所示。
實(shí)驗(yàn)程序經(jīng)編碼、調(diào)試后在交叉編譯環(huán)境中交叉編譯，生成arm-linux環(huán)境下可執(zhí)行文件，在目標(biāo)板上執(zhí)行。經(jīng)測(cè)試試驗(yàn)程序能夠正確接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的報(bào)文，對(duì)報(bào)文解碼，并能根據(jù)上位機(jī)命令對(duì)關(guān)鍵信息做輸出處理。
4.4 對(duì)上位機(jī)重發(fā)次數(shù)的研究
進(jìn)行udp協(xié)議通信時(shí)，發(fā)送端和接收端的狀態(tài)是相對(duì)獨(dú)立的，發(fā)送端不與接收端建立連接，而是不停向接收端發(fā)送，為了確保不丟失報(bào)文，上位機(jī)采取了按固定次數(shù)重發(fā)相同內(nèi)容報(bào)文的機(jī)制。然而這種機(jī)制雖然可以有效確保報(bào)文不丟失，但是大量冗余數(shù)據(jù)報(bào)被發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)資源利用率不高。重發(fā)次數(shù)越多，冗余數(shù)據(jù)報(bào)越多，效率越低。要想有效保證數(shù)據(jù)報(bào)準(zhǔn)確發(fā)送的同時(shí)又不產(chǎn)生過(guò)多冗余數(shù)據(jù)報(bào)，那么重復(fù)發(fā)送的次數(shù)的確定就成為問題的關(guān)鍵。以下給出一種確定上位機(jī)重發(fā)次數(shù)的方法。
假設(shè)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況下，每次報(bào)文發(fā)送被丟失的概率為p，系統(tǒng)允許接收端報(bào)文關(guān)鍵內(nèi)容丟失概率為q,那么如何確定以上重發(fā)機(jī)制中的重發(fā)次數(shù)k呢？
特殊情況下若報(bào)文重發(fā)次數(shù)為2，分別在每條報(bào)文重發(fā)機(jī)制位注明一個(gè)索引號(hào)和一個(gè)重發(fā)編號(hào)，發(fā)送端發(fā)送報(bào)文的次序應(yīng)形如 1.1 ,1.2 ,2.1 ,2.2 ,3.1 ,3.2……其中索引號(hào)相同的報(bào)文關(guān)鍵內(nèi)容相同，重發(fā)編號(hào)不同代表同一關(guān)鍵內(nèi)容報(bào)文的不同次發(fā)送。因此只有出現(xiàn)連續(xù)兩次丟失數(shù)據(jù)報(bào)的情況下，報(bào)文關(guān)鍵內(nèi)容才可能丟失。出現(xiàn)連續(xù)兩次丟失的情況有2種，當(dāng)x.1 , x.2丟失，此時(shí)索引號(hào)為x的報(bào)文關(guān)鍵信息將全部丟失。當(dāng)x.2,(x+1). 1丟失，丟失報(bào)文的索引號(hào)不同，此時(shí)不會(huì)發(fā)生報(bào)文關(guān)鍵信息丟失，因此報(bào)文關(guān)鍵內(nèi)容丟失的概率q=p2/2。
當(dāng)報(bào)文重發(fā)次數(shù)為3,依然在每條報(bào)文的重發(fā)機(jī)制位注明索引號(hào)和重發(fā)號(hào)，發(fā)送報(bào)文的次序應(yīng)為1.1 ,1.2 ,1.3 ,2.1 ,2.2 ,2.3 ,3.1 ,3.2……。只有出現(xiàn)連續(xù)3次丟失數(shù)據(jù)報(bào)的情況報(bào)文關(guān)鍵信息才可能丟失，列出連續(xù)3次丟失報(bào)文的情況有3種，當(dāng)x.1 , x.2 , x.3丟失，此時(shí)索引號(hào)為x的報(bào)文信息全部丟失。當(dāng)x.2 , x.3 ,(x+1).1或x.3 ,(x+1).1 ,(x+1).2丟失時(shí)不影響報(bào)文的準(zhǔn)確傳遞。因此此時(shí)報(bào)文關(guān)鍵內(nèi)容丟失的概率q=p3/3。
推廣至一般情況易得當(dāng)報(bào)文重發(fā)次數(shù)為k時(shí)，報(bào)文關(guān)鍵內(nèi)容丟失的概率q=pk/k，移項(xiàng)有kq=pk。于是我們得到求重發(fā)次數(shù)k的方法如下：
1) 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況獲得報(bào)文丟失概率p；
2) 根據(jù)客戶需求取得報(bào)文關(guān)鍵內(nèi)容的允許丟失率范圍q；
3) 分別作出y=px和y=qx的圖像；
4) 求得兩圖像的交點(diǎn)的x坐標(biāo)，并將x坐標(biāo)值取整加一即為所求重發(fā)次數(shù)k。
本文實(shí)驗(yàn)中，需求方允許報(bào)文關(guān)鍵信息丟失概率q=0.0001,我們分別對(duì)上位機(jī)發(fā)送端和下位機(jī)接收端收發(fā)的報(bào)文進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，在某一固定時(shí)間段內(nèi)，上位機(jī)共發(fā)送報(bào)文19665條，接收端接收?qǐng)?bào)文18636條，傳輸過(guò)程中丟失的報(bào)文19665-18636=1029條，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的報(bào)文丟失率為，即p=0.0523。據(jù)此數(shù)值分別作出y=0.0001x的曲線和y=0.0523 x的曲線，取得兩曲線交點(diǎn)x坐標(biāo)為x≈2.78，最后將x=2.78取整加1得到k=3，即上位機(jī)對(duì)同一數(shù)據(jù)報(bào)的重發(fā)次數(shù)應(yīng)該定為3次就可保證系統(tǒng)丟失報(bào)文的概率低于0.0001。
5 結(jié)論與展望
本文從硬件平臺(tái)搭建、linux移植以及udp協(xié)議編程幾個(gè)方面介紹了arm-linux環(huán)境下udp協(xié)議通信的具體實(shí)現(xiàn)，并分析了一種在實(shí)際嵌入式項(xiàng)目中常用的上位機(jī)數(shù)據(jù)報(bào)重發(fā)機(jī)制，最后對(duì)這種機(jī)制中的重發(fā)次數(shù)的確定方法給出了求解過(guò)程，為后續(xù)的具體項(xiàng)目實(shí)施提供了實(shí)踐依據(jù)，也希望為其他應(yīng)用這種重發(fā)機(jī)制的嵌入式產(chǎn)品開發(fā)者們提供了借鑒。
參考文獻(xiàn)：
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udp協(xié)議篇3
【關(guān)鍵詞】UDP協(xié)議；ARM；X86；通訊；解決方案
隨著人工智能的應(yīng)用，ARM產(chǎn)品已經(jīng)遍布到各個(gè)領(lǐng)域：工業(yè)控制、無(wú)線通訊領(lǐng)域、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、成像和安全產(chǎn)品，包括現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù)，手機(jī)中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)。除此以外，ARM微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域，并會(huì)在將來(lái)取得更加廣泛的應(yīng)用，因此，ARM與其它平臺(tái)之間通訊就顯得尤為重要。
1.UDP協(xié)議本質(zhì)
UDP協(xié)議是英文User Datagram Protocol的縮寫，即用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，主要用來(lái)支持那些需要在計(jì)算機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。包括網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議系統(tǒng)在內(nèi)的眾多客戶/服務(wù)器模式的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都需要使用UDP協(xié)議。UDP協(xié)議從問世至今已經(jīng)被使用了很多年，雖然其最初的光彩已經(jīng)被一些類似協(xié)議所掩蓋，但即使是在今天，UDP仍然不失為一項(xiàng)非常實(shí)用和可行的網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議。
UDP協(xié)議使用端口號(hào)為不同的應(yīng)用保留其各自的數(shù)據(jù)傳輸通道。UDP和TCP協(xié)議正是采用這一機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)同一時(shí)刻內(nèi)多項(xiàng)應(yīng)用同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的支持。數(shù)據(jù)發(fā)送一方（可以是客戶端或服務(wù)器端）將UDP數(shù)據(jù)報(bào)通過(guò)源端口發(fā)送出去，而數(shù)據(jù)接收一方則通過(guò)目標(biāo)端口接收數(shù)據(jù)。有的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用只能使用預(yù)先為其預(yù)留或注冊(cè)的靜態(tài)端口；而另外一些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用則可以使用未被注冊(cè)的動(dòng)態(tài)端口。因?yàn)閁DP報(bào)頭使用兩個(gè)字節(jié)存放端口號(hào)，所以端口號(hào)的有效范圍是從0到65535。一般來(lái)說(shuō)，大于49151的端口號(hào)都代表動(dòng)態(tài)端口。
數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度是指包括報(bào)頭和數(shù)據(jù)部分在內(nèi)的總的字節(jié)數(shù)。因?yàn)閳?bào)頭的長(zhǎng)度是固定的，所以該域主要被用來(lái)計(jì)算可變長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)部分（又稱為數(shù)據(jù)負(fù)載）。數(shù)據(jù)報(bào)的最大長(zhǎng)度根據(jù)工作環(huán)境的不同而各異。從理論上說(shuō)，包含報(bào)頭在內(nèi)的數(shù)據(jù)報(bào)的最大長(zhǎng)度為65535字節(jié)。不過(guò)，一些實(shí)際應(yīng)用往往會(huì)限制數(shù)據(jù)報(bào)的大小，有時(shí)會(huì)降低到8192字節(jié)。
UDP協(xié)議使用報(bào)頭中的校驗(yàn)值來(lái)保證數(shù)據(jù)的安全。校驗(yàn)值首先在數(shù)據(jù)發(fā)送方通過(guò)特殊的算法計(jì)算得出，在傳遞到接收方之后，還需要再重新計(jì)算。
如果某個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸過(guò)程中被第三方篡改或者由于線路噪音等原因受到損壞，發(fā)送和接收方的校驗(yàn)計(jì)算值將不會(huì)相符，由此UDP協(xié)議可以檢測(cè)是否出錯(cuò)。其實(shí)在UDP協(xié)議中校驗(yàn)功能是可選的，如果將其關(guān)閉可以使系統(tǒng)的性能有所提升。這與TCP協(xié)議是不同的，后者要求必須具有校驗(yàn)值。
2.實(shí)現(xiàn)案例
實(shí)現(xiàn)案例如下：在觸摸屏進(jìn)行畫圖，使其在液晶屏上顯示，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，使其在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示，并由計(jì)算機(jī)控制清除液晶屏上的圖形。
步驟如下：
（1）新建工程
void InitNetWork（）//初始化網(wǎng)絡(luò)
{
U32 ipaddr32，ipmaskaddr32，ipgateaddr32；
U8 *Mac；
ipaddr32=Get_ipaddr（）； //獲取IP地址
ipmaskaddr32=Get_maskaddr（）；//獲取子網(wǎng)掩碼
ipgateaddr32=Get_gwaddr（）； //獲取網(wǎng)關(guān)
Mac=Get_mac（）； //獲取網(wǎng)卡地址
NetPortChoose（0）； //選擇網(wǎng)口，必須在配置網(wǎng)絡(luò)以前進(jìn)行
initOSNet（ipaddr32， ipmaskaddr32， ipgateaddr32，Mac）；//配置網(wǎng)絡(luò)
OSTimeDly（1000）；//任務(wù)掛起1秒
printk（"init Ethernet and UDP is ok！＼n"）；
}
（3）定義計(jì)算機(jī)端套接字，全局變量
（4）編寫Main_Task任務(wù)及消息循環(huán)
主要負(fù)責(zé)響應(yīng)觸摸屏消息，在屏幕上畫圖，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。
對(duì)觸摸屏消息的處理和鍵盤消息類似，其消息類型pMsg->Message為OSM_TOUCH_SCREEN，消息參數(shù)pMsg->LParam中包含了觸摸屏的動(dòng)作信息，定義如下：
#define TCHSCR_ACTION_NULL 0
#define TCHSCR_ACTION_CLICK 1 //觸摸屏單擊
#define TCHSCR_ACTION_DBCLICK 2 //觸摸屏雙擊
#define TCHSCR_ACTION_DOWN 3 //觸摸屏按下
#define TCHSCR_ACTION_UP 4 //觸摸屏抬起
#define TCHSCR_ACTION_MOVE 5 //觸摸屏移動(dòng)
消息參數(shù)pMsg->WParam中則包含了觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)信息，低16位是X坐標(biāo)值，高16位是Y坐標(biāo)值。這里當(dāng)觸摸屏產(chǎn)生“按下”動(dòng)作后采用MoveTo（）函數(shù)設(shè)置繪圖起始點(diǎn)坐標(biāo)，當(dāng)產(chǎn)生“移動(dòng)”動(dòng)作后采用LineTo（）函數(shù)繪制線段。
3.解決方案
3.1 建立Socket
為了建立建立Socket，程序可以調(diào)用Socket函數(shù)，該函數(shù)返回一個(gè)類似于文件描述符的句柄。socket函數(shù)原型為：
int socket（int domain， int type，int protocol）；
domain指明所使用的協(xié)議族，通常為PF_INET，表示互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族（TCP/IP協(xié)議族）；type參數(shù)指定socket的類型：SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM，Socket接口還定義了原始Socket（SOCK_RAW），允許程序使用低層協(xié)議；protocol通常賦值”0”。Socket（）調(diào)用返回一個(gè)整型socket描述符，你可以在后面的調(diào)用使用它。
Socket描述符是一個(gè)指向內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針，它指向描述符表入口。調(diào)用Socket函數(shù)時(shí)，socket執(zhí)行體將建立一個(gè)Socket，實(shí)際上”建立一個(gè)Socket”意味著為一個(gè)Socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配存儲(chǔ)空間。Socket執(zhí)行體為你管理描述符表。
兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)程序之間的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接包括五種信息：通信協(xié)議、本地協(xié)議地址、本地主機(jī)端口、遠(yuǎn)端主機(jī)地址和遠(yuǎn)端協(xié)議端口。Socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含這五種信息。
3.2 配置Socket
通過(guò)socket調(diào)用返回一個(gè)socket描述符后，在使用socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸以前，必須配置該socket。面向連接的socket客戶端通過(guò)調(diào)用Connect函數(shù)在socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中保存本地和遠(yuǎn)端信息。無(wú)連接socket的客戶端和服務(wù)端以及面向連接socket的服務(wù)端通過(guò)調(diào)用bind函數(shù)來(lái)配置本地信息。
Bind函數(shù)將socket與本機(jī)上的一個(gè)端口相關(guān)聯(lián)，隨后你就可以在該端口監(jiān)聽服務(wù)請(qǐng)求。Bind函數(shù)原型為：
int bind（int sockfd，struct sockaddr *my_addr，int addrlen）；
Sockfd是調(diào)用socket函數(shù)返回的socket描述符，my_addr是一個(gè)指向包含有本機(jī)IP地址及端口號(hào)等信息的sockaddr類型的指針；addrlen常被設(shè)置為
3.3 建立連接
面向連接的客戶程序使用Connect函數(shù)來(lái)配置socket并與遠(yuǎn)端服務(wù)器建立一個(gè)TCP連接，其函數(shù)原型為：
int connect（int sockfd，struct sockaddr *serv_addr，int addrlen）；
Sockfd是socket函數(shù)返回的socket描述符；serv_addr是包含遠(yuǎn)端主機(jī)IP地址和端口號(hào)的指針；addrlen是遠(yuǎn)端地址結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度。Connect函數(shù)在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)返回-1，并且設(shè)置errno為相應(yīng)的錯(cuò)誤碼。進(jìn)行客戶端程序設(shè)計(jì)無(wú)須調(diào)用bind（），因?yàn)檫@種情況下只需知道目的機(jī)器的IP地址，而客戶通過(guò)哪個(gè)端口與服務(wù)器建立連接并不需要關(guān)心，socket執(zhí)行體為你的程序自動(dòng)選擇一個(gè)未被占用的端口，并通知你的程序數(shù)據(jù)什么時(shí)候到達(dá)端口。
Connect函數(shù)啟動(dòng)和遠(yuǎn)端主機(jī)的直接連接。只有面向連接的客戶程序使用socket時(shí)才需要將此socket與遠(yuǎn)端主機(jī)相連。無(wú)連接協(xié)議從不建立直接連接。面向連接的服務(wù)器也從不啟動(dòng)一個(gè)連接，它只是被動(dòng)的在協(xié)議端口監(jiān)聽客戶的請(qǐng)求。
Listen函數(shù)使socket處于被動(dòng)的監(jiān)聽模式，并為該socket建立一個(gè)輸入數(shù)據(jù)隊(duì)列，將到達(dá)的服務(wù)請(qǐng)求保存在此隊(duì)列中，直到程序處理它們。
int listen（int sockfd，int backlog）；
首先，當(dāng)accept函數(shù)監(jiān)視的socket收到連接請(qǐng)求時(shí)，socket執(zhí)行體將建立一個(gè)新的socket，執(zhí)行體將這個(gè)新socket和請(qǐng)求連接進(jìn)程的地址聯(lián)系起來(lái)，收到服務(wù)請(qǐng)求的初始socket仍可以繼續(xù)在以前的socket上監(jiān)聽，同時(shí)可以在新的socket描述符上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作。
3.4 傳輸數(shù)據(jù)
Send（）和recv（）這兩個(gè)函數(shù)用于面向連接的socket上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
Sockfd是你用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的socket描述符；msg是一個(gè)指向要發(fā)送數(shù)據(jù)的指針；Len是以字節(jié)為單位數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度；flags一般情況下設(shè)置為0（關(guān)于該參數(shù)的用法可參照man手冊(cè)）。
Send（）函數(shù)返回實(shí)際上發(fā)送出的字節(jié)數(shù)，可能會(huì)少于你希望發(fā)送的數(shù)據(jù)。在程序中應(yīng)該將send（）的返回值與欲發(fā)送的字節(jié)數(shù)進(jìn)行比較。當(dāng)send（）返回值與len不匹配時(shí)，應(yīng)該對(duì)這種情況進(jìn)行處理。
3.5 傳輸結(jié)束
當(dāng)所有的數(shù)據(jù)操作結(jié)束以后，你可以調(diào)用close（）函數(shù)來(lái)釋放該socket，從而停止在該socket上的任何數(shù)據(jù)操作。
udp協(xié)議篇4
關(guān)鍵詞 網(wǎng)絡(luò)通信；UDP二次封裝；共享內(nèi)存；進(jìn)程間通信
中圖分類號(hào)TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2011）55-0181-02
1研究背景
磁浮仿真系統(tǒng)大致可以為分3個(gè)層次，底層是仿真子系統(tǒng)的仿真管理計(jì)算機(jī)，中間層是仿真支撐服務(wù)器，上層是工作站仿真計(jì)算機(jī)。所有環(huán)境仿真設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)與底層子系統(tǒng)的仿真管理計(jì)算機(jī)相連，仿真管理計(jì)算機(jī)對(duì)其仿真子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，它將子系統(tǒng)仿真設(shè)備的工況信息實(shí)時(shí)向上推送。仿真支撐服務(wù)器與所有底層子系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)和上層工作站均有通信需求，是報(bào)文收發(fā)的中轉(zhuǎn)站，它將、工作站及其執(zhí)行結(jié)果的信息記入數(shù)據(jù)庫(kù)備查，或用于數(shù)據(jù)分析。上層工作站用于集成管理底層的子系統(tǒng)，它注入故障下達(dá)測(cè)試命令到底層子系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)并等待應(yīng)答。此外，底層子系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)之間也互相傳遞信息。這些計(jì)算機(jī)中仿真系統(tǒng)在處理接收和發(fā)送數(shù)據(jù)上的工作大多是相同的，如果能夠簡(jiǎn)化它們?cè)跀?shù)據(jù)通信上的工作，將對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和效率有很大的提高作用。網(wǎng)絡(luò)通信方案的設(shè)計(jì)，即可將系統(tǒng)中各模塊處理網(wǎng)絡(luò)通信的部分抽取出來(lái)，封裝成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊。
2影響因素分析
磁浮仿真系統(tǒng)中底層管理計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的仿真軟件是不同編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，各自重新構(gòu)建通信接口有困難,底層、中層、上層不同計(jì)算機(jī)之間的通信要求也各異。通過(guò)對(duì)磁浮仿真系統(tǒng)中多個(gè)模塊的通信要求分析，可以得到模塊間的數(shù)據(jù)通信具有以下特點(diǎn)：
1）多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。如果采用面向連接的方式進(jìn)行通信，則需要每個(gè)模塊都各自維護(hù)到其它模塊的多個(gè)連接，處理起來(lái)很不方便，并且不利于擴(kuò)充模塊。因此適合無(wú)連接的通信；
2）模塊間的數(shù)據(jù)通信具有突發(fā)性，通信數(shù)據(jù)量不規(guī)則、不連續(xù)。比較適合采用報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)方式傳輸；
3）通信目的計(jì)算機(jī)的IP地址可能改變，需要可配置；
4）模塊的數(shù)量可能擴(kuò)充，也就是說(shuō)，在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的不同模塊的通信節(jié)點(diǎn)可能有多個(gè)，需要可配置；
5）模塊間傳輸數(shù)據(jù)必須保證通信的可靠性和數(shù)據(jù)的正確性；
6）某些通信要求實(shí)時(shí)性，通信異常導(dǎo)致陳舊數(shù)據(jù)必須清除。
3方案設(shè)計(jì)
根據(jù)第2節(jié)的影響因素分析，了解到通信方案需要解決四個(gè)問題，即通信接口問題、實(shí)時(shí)性可靠性均衡問題、IP端口可配置問題。首先，解決通信接口問題，需要將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信工作獨(dú)立出來(lái)，與原本系統(tǒng)的其他應(yīng)用隔離開。因此，引入這樣兩個(gè)概念――通信層進(jìn)程和應(yīng)用層進(jìn)程。通信層進(jìn)程負(fù)責(zé)為應(yīng)用層提供通信服務(wù)和其他輔助服務(wù)，如通信日志記錄、通信狀態(tài)監(jiān)控等；應(yīng)用層進(jìn)程即原本系統(tǒng)各模塊運(yùn)行的應(yīng)用進(jìn)程，兩者間數(shù)據(jù)通信靠本機(jī)進(jìn)程間通信維系。基于確保實(shí)時(shí)性和大數(shù)據(jù)量的通信要求，本機(jī)進(jìn)程間通信選取的方法是共享內(nèi)存，然后分別為通信層和應(yīng)用層提供讀寫共享內(nèi)存的接口，即使用DLL（動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)）的方式分別加載到通信層程序和應(yīng)用層程序中。其次，解決實(shí)時(shí)性可靠性均衡問題，從多點(diǎn)通信和實(shí)時(shí)性的考慮出發(fā)，決定了選取無(wú)連接且傳輸更高效的UDP協(xié)議。然而，UDP協(xié)議不能保證可靠性，于是想到了對(duì)UDP協(xié)議進(jìn)行二次封裝，形成一種兼顧通信的可靠性與實(shí)時(shí)性的新協(xié)議――RUDP協(xié)議。最后，采用通信層進(jìn)程讀取.ini配置文件的配置信息的方法來(lái)解決IP端口可配置問題。
3.1 本機(jī)進(jìn)程間通信
本機(jī)應(yīng)用層與通信層之間的進(jìn)程間通信需要借助共享內(nèi)存技術(shù)、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
共享內(nèi)存技術(shù)是通過(guò)內(nèi)存映射文件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。內(nèi)存映射文件是文件內(nèi)容到進(jìn)程虛擬地址空間的復(fù)制。文件的內(nèi)容的拷貝稱為文件映像，而操作系統(tǒng)用來(lái)維持該拷貝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)稱為文件映射對(duì)象。另一個(gè)進(jìn)程通過(guò)使用第一個(gè)進(jìn)程的文件映射對(duì)象建立映像，可以在它自己的虛擬地址空間建立完全一樣的文件映像，這樣就達(dá)到了進(jìn)程間共享數(shù)據(jù)的目的。
設(shè)計(jì)方案將共享內(nèi)存分為兩種。一種發(fā)送報(bào)文時(shí)使用，應(yīng)用層進(jìn)程向此共享內(nèi)存內(nèi)寫入報(bào)文，通信層進(jìn)程分配線程采用輪循或接收消息通知的方式讀取共享內(nèi)存中的待發(fā)送報(bào)文，并通過(guò)套接字將其發(fā)送到目的計(jì)算機(jī)的通信層進(jìn)程。這種共享內(nèi)存可稱之為發(fā)送結(jié)點(diǎn)共享內(nèi)存。另一種與此相反，接收?qǐng)?bào)文時(shí)使用，通信層進(jìn)程接收到報(bào)文后，根據(jù)報(bào)文首部判斷與之對(duì)應(yīng)的目的應(yīng)用層，并將報(bào)文寫入對(duì)應(yīng)的共享內(nèi)存，應(yīng)用層進(jìn)程再讀出并解封裝報(bào)文。根據(jù)報(bào)文發(fā)送目的地址與源地址，可為每個(gè)源地址與目的地址分配對(duì)應(yīng)的共享內(nèi)存。每一塊共享內(nèi)存，有一個(gè)或幾個(gè)寫入線程，一個(gè)讀出線程與其相對(duì)應(yīng)。
動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）技術(shù)用來(lái)提供讀、寫、清空共享內(nèi)存的接口。在DLL完成相應(yīng)共享內(nèi)存的初始化工作后，發(fā)送接收雙方進(jìn)程通過(guò)調(diào)用該DLL中相應(yīng)的寫入讀取共享內(nèi)存的函數(shù)訪問共享內(nèi)存，從而實(shí)現(xiàn)雙方的通信。雙方進(jìn)程啟動(dòng)后，用內(nèi)存映射文件的方式把一塊命名共享內(nèi)存映射到DLL附加的各個(gè)進(jìn)程地址空間。
共享內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)方式設(shè)計(jì)如圖1所示。
3.2 UDP協(xié)議二次封裝
RUDP就是在原TCP/IP協(xié)議的傳輸層的UDP協(xié)議和應(yīng)用層之間加入了一層為保證可靠數(shù)據(jù)傳送而實(shí)現(xiàn)的RUDP軟件模塊而形成的一個(gè)五層體系結(jié)構(gòu)，即在原有TCP/IP模型的應(yīng)用層和傳輸層之間加入一個(gè)定制的通信層（RUDP層），這樣就可以利用UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)一種基于消息的面向連接的可靠數(shù)據(jù)傳遞機(jī)制。
為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕梢越梃bTCP的三次握手原理，對(duì)UDP進(jìn)行二次封裝，形成了RUDP傳輸機(jī)制。報(bào)文發(fā)送方對(duì)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性要求通過(guò)應(yīng)用層與通信層的接口DLL，以出口函數(shù)的參數(shù)形式傳遞，然后再將這些信息封裝到原報(bào)文首部。通信層中解封裝報(bào)文首部，并根據(jù)這些信息靈活地選擇通信方式用以提高傳輸效率和保證可靠。
3.3配置文件
.ini配置文件用來(lái)靈活配置系統(tǒng)中某臺(tái)計(jì)算機(jī)需要通信的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、通信目的地址、對(duì)端接收端口和本機(jī)綁定端口。.ini的讀寫通過(guò)調(diào)用api函數(shù)GetPrivateProfileInt()；GetPrivateProfileString()和WritePrivateProfileString()來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4測(cè)試驗(yàn)證
根據(jù)通信方案的設(shè)計(jì)，我們已經(jīng)編碼實(shí)現(xiàn)了一套通信中間件，包含單獨(dú)的通信層程序、配套動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)通信接口及.ini配置文件，并在100Mbps傳輸速率的局域網(wǎng)中進(jìn)行了一對(duì)一、多對(duì)一、多對(duì)多的測(cè)試驗(yàn)證，得到測(cè)試結(jié)果如下表：
5結(jié)論
文中論述的通信方案確保了整個(gè)仿真系統(tǒng)可以高頻度大數(shù)據(jù)量地進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了上層工作站、中層服務(wù)器與下層管理計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互要求。在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的的前提下，盡可能的滿足了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。通信層完全獨(dú)立于需要通信的應(yīng)用層，通信接口良好，可以做到靈活配置，極大地方便了應(yīng)用層的調(diào)用，為今后整個(gè)仿真系統(tǒng)的擴(kuò)展，通信需求的增加提供了良好保證。完善后的通信方案不僅適用于本仿真系統(tǒng)，還可以應(yīng)用于類似需求的局域網(wǎng)多點(diǎn)通信中。
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udp協(xié)議篇5
關(guān)鍵詞：IPSec；NAT；IKE；VPN；UDP封裝
中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)33-1360-03
Research on Coordination Between IPSec and NAT
ZHANG Ai-ke
(Departmet of Information Engineering, Liuzhou Vocational&Technical College,Liuzhou 545006,China)
Abstract: Network Address Translation (NAT) and IP security protocol (IPSec) are outstanding technologies that are widely used in network. At present, because IPSec and NAT are incompatible, the technologies can not co-exist in network at the same time. This paper engages in the research upon the coordination between IPSec and NAT. points out the application scope of NAT-T so as to guide the optimum IPSec VPN implementation.
Key words: IPSec;NAT;IKE;VPN;UDP encapsulation
1 引言
IPSec與NAT是用來(lái)解決IPv4中網(wǎng)絡(luò)安全與IP地址短缺問題的兩項(xiàng)技術(shù)。IPSec是Internet工程任務(wù)組（IETF）制定的一系列安全標(biāo)準(zhǔn)[1]，已被確定為IPv6的必需組成部分，是下一代網(wǎng)絡(luò)的安全標(biāo)準(zhǔn)，它可以較好地解決目前Internet上面臨的安全威脅，有效地保證數(shù)據(jù)的安全傳輸。隨著Internet的不斷發(fā)展，采用IPSec技術(shù)實(shí)現(xiàn)利用互聯(lián)網(wǎng)建立VPN網(wǎng)絡(luò)，越來(lái)越被眾多大中型企業(yè)所青睞，IPSec已逐漸成為構(gòu)建VPN的主流技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）技術(shù)[2] 在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中使用內(nèi)部私有IP地址，通過(guò)NAT將每個(gè)從內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的數(shù)據(jù)包的私有地址翻譯成合法的公用IP地址在Internet上使用，支持多臺(tái)主機(jī)共享全局IP地址，常見于接入設(shè)備和防火墻中，能很好地解決IPv4網(wǎng)絡(luò)地址枯竭的問題，同時(shí)具有屏蔽內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的作用。
然而，在實(shí)際應(yīng)用中，IPSec技術(shù)和NAT技術(shù)存在嚴(yán)重的不兼容性，當(dāng)IPSec數(shù)據(jù)流穿越NAT設(shè)備時(shí)，兩者無(wú)法協(xié)同工作，已被廣泛使用的NAT設(shè)備制約著基于IPSec技術(shù)的VPN的發(fā)展。因此，IPSec和NAT兼容性方面的問題已成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，尋求基于IPSec技術(shù)的VPN和現(xiàn)有的NAT設(shè)備和平共處，實(shí)現(xiàn)NAT透明穿越的解決方案已成為迫在眉睫的任務(wù)。
2 問題描述
由于IPSec對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行保護(hù)，對(duì)數(shù)據(jù)包的改動(dòng)會(huì)導(dǎo)致驗(yàn)證或解密過(guò)程的失敗。IPSec與NAT的兼容性沖突是多方面的，其中主要是由于IPSec數(shù)據(jù)包在穿越NAT時(shí)無(wú)法進(jìn)行正確轉(zhuǎn)換造成的。IPSec與NAT的不兼容性問題主要有以下幾個(gè)方面[3]：
1) IPSec AH和NAT：AH利用消息摘要算法對(duì)整個(gè)IP數(shù)據(jù)包產(chǎn)生一個(gè)散列值，該散列值的作用范圍是整個(gè)IP包，包括源IP地址和目的IP地址，接收方利用該散列值認(rèn)證收到的IP數(shù)據(jù)包。如果在發(fā)送過(guò)程中原始IP包的任何字段發(fā)生變化，都將會(huì)導(dǎo)致接收方的認(rèn)證失敗，接收方將丟棄該包。但NAT會(huì)對(duì)外出包的源地址和進(jìn)入包的目的地址進(jìn)行修改，AH認(rèn)為IP包被非法修改，從而導(dǎo)致認(rèn)證失效。ESP的完整性檢查不包括IP頭（傳輸模式），或者檢查的是不為NAT所修改的內(nèi)嵌IP協(xié)議頭（隧道模式），因此在ESP中不存在這樣的問題。
2) 校驗(yàn)和與NAT：TCP和UDP在計(jì)算校驗(yàn)和時(shí)使用了偽頭部，因而校驗(yàn)和與IP源和目的地址有依賴關(guān)系。因此，當(dāng)NAT設(shè)備改變IP地址后需要重新計(jì)算并修改TCP/UDP校驗(yàn)和。當(dāng)應(yīng)用了ESP傳輸模式的IP包經(jīng)過(guò)NAT設(shè)備時(shí)，由于TCP/UDP校驗(yàn)和處于加密負(fù)載之中，該值在在修改了外層IP包頭后無(wú)法被NAT進(jìn)行更新，這樣，雖然IPSec不會(huì)丟棄這個(gè)包，但是當(dāng)它被送往上層協(xié)議處理，在進(jìn)行校驗(yàn)和校驗(yàn)時(shí)會(huì)出錯(cuò)，這個(gè)包還是會(huì)被丟棄。ESP隧道模式可以和靜態(tài)或動(dòng)態(tài)NAT相兼容，因?yàn)門CP/UDP校驗(yàn)和只與內(nèi)層“原始”IP包頭有關(guān)，對(duì)于外層IP包頭的的修改并不對(duì)其造成影響。然而，在NAPT存在的情況下，AH和ESP都無(wú)法通過(guò)NAPT，NAPT需要TCP/UDP端口來(lái)匹配出入信包，上層端口信息對(duì)于NAT網(wǎng)關(guān)是不可知的，所以NAT網(wǎng)關(guān)無(wú)法完成多個(gè)私網(wǎng)地址映射到一個(gè)公網(wǎng)地址的變換。
3) IKE地址標(biāo)識(shí)符和NAT：在IKE協(xié)商中，通信雙方使用IP地址作為身份標(biāo)識(shí)符，而NAT設(shè)備對(duì)IP地址的修改會(huì)引起IP頭中的地址和標(biāo)識(shí)符不符，IKE會(huì)將這樣的包丟掉。
4) IKE固定的目標(biāo)端口和NAPT：IKE協(xié)商時(shí)的UDP通信端口號(hào)一般固定是500，而當(dāng)NAPT后面的多方主機(jī)向同一響應(yīng)者發(fā)起IKE SA時(shí)，NAPT需要通過(guò)不同的端口號(hào)區(qū)分不同的連接，因此，響應(yīng)者必須能夠接受非500UDP端口的IKE流量。
5) 重疊的SPD項(xiàng)和NAT：在IKE協(xié)商的第二階段中，NAT后的多個(gè)主機(jī)和相同響應(yīng)者協(xié)商SPD時(shí)會(huì)出現(xiàn)重疊，這樣，響應(yīng)者可能在錯(cuò)誤的IPSec SA下發(fā)送數(shù)據(jù)包。
6) IPSec SPI選擇符和NAT：IPSec ESP流量受加密保護(hù)，對(duì)NAT是透明的，NAT必須使用IP頭和IPSec頭來(lái)多路分解到來(lái)的IPSec信包，目的IP地址、安全協(xié)議（AH/ESP）、和SPI共同惟一標(biāo)識(shí)一個(gè)安全聯(lián)盟來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。由于SA是單向的，外出和進(jìn)入包的SPI選取是獨(dú)立的，因此，僅通過(guò)監(jiān)測(cè)外出的流量，NAT無(wú)法決定哪個(gè)進(jìn)入的SPI和哪個(gè)目標(biāo)主機(jī)相對(duì)應(yīng)。
7) 內(nèi)嵌IP地址和NAT：當(dāng)內(nèi)嵌IP地址時(shí)，由于載荷受到完整性保護(hù)，IPSec包中的任何IP地址不能被NAT轉(zhuǎn)換。內(nèi)嵌IP地址的協(xié)議包括FTP、IRC、SNMP、LPAP、H.232、SIP和許多游戲協(xié)議。
除上述外，有些NAT的具體實(shí)現(xiàn)也存在不利于IPSec穿越的特點(diǎn)，例如：某些NAT供應(yīng)商的NAPT不能處理非UDP/TCP報(bào)文，拒絕通過(guò)ESP、AH報(bào)文；有些幫助解決兼容性問題的方法會(huì)引起新的不兼容性，如對(duì)端口500的特殊處理、對(duì)ISAKMP有效載荷進(jìn)行解析及ISAKMP頭部檢查等。
3 協(xié)同工作的方法
IPSec和NAT的兼容性方案的目的是擴(kuò)大IPSec的適用范圍。根據(jù)前面分析的IPSec與NAT之間存在的兼容性問題，以及評(píng)估一個(gè)解決方案的可配置性、可擴(kuò)展性、多模式支持能力、與防火墻的兼容性、遠(yuǎn)程通信能力、互操作性和安全性等原則[4]，下面來(lái)探討一些方法來(lái)解決IPSec和NAT協(xié)同工作的問題。
3.1 RSIP方法
RSIP是指在不同地址域通信的主機(jī)自己能處理跨越不同地址域的地址變換問題。它的工作機(jī)制[5]是：當(dāng)RSIP客戶機(jī)要聯(lián)系互聯(lián)網(wǎng)上主機(jī)的時(shí)候，它查詢RSIP服務(wù)器以便獲得一個(gè)端口號(hào)和公網(wǎng)IP地址。接著客戶機(jī)通過(guò)隧道將包發(fā)往RSIP服務(wù)器，RSIP服務(wù)器將隧道頭剝掉，然后將包發(fā)向互聯(lián)網(wǎng)。對(duì)于到達(dá)的包，RSIP服務(wù)器基于端口號(hào)查找客戶機(jī)IP地址，加入隧道頭，然后將它們發(fā)往RSIP客戶機(jī)。
RSIP網(wǎng)關(guān)是跨越在多個(gè)編址域的多宿主設(shè)備，允許主機(jī)直接參與到多個(gè)編址域中，并不對(duì)地址進(jìn)行翻譯，這樣盡管主機(jī)需要知道RSIP網(wǎng)關(guān)，但是卻沒有破壞Internet端到端的通信，應(yīng)用RSIP不需要修改源到目的地的IP載荷流，也就避免了對(duì)AH、ESP等協(xié)議的損傷。
RSIP技術(shù)的完全實(shí)現(xiàn)需要用新的RSIP網(wǎng)關(guān)代替現(xiàn)有的NAT路由設(shè)備，同時(shí)涉及對(duì)客戶機(jī)的修改、服務(wù)器的重新部署等問題，因此實(shí)施費(fèi)用相對(duì)較大，部署時(shí)間較長(zhǎng)，降低了該方案的可行性。
3.2 “6to4”方法
這種方法的基本原理[6]是：各個(gè)局部網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在IPv6上，在IPv6網(wǎng)絡(luò)邊界安裝NAT，NAT給主機(jī)提供IPv6地址前綴，這個(gè)地址前綴是NAT設(shè)備的IPv4 IP地址，當(dāng)IPv6的數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)NAT時(shí)，NAT提取IPv6的地址前綴作為IPv6數(shù)據(jù)報(bào)的IPv4隧道地址，NAT把IPv6數(shù)據(jù)包封裝在IPv4數(shù)據(jù)包中發(fā)送出去；在響應(yīng)方，相應(yīng)的NAT作IPv4隧道的解封，解封后的數(shù)據(jù)包在局部網(wǎng)絡(luò)中用IPv6協(xié)議進(jìn)行路由。在各個(gè)VPN保護(hù)的子網(wǎng)中是基于IPv6協(xié)議通信的。
這種方法很好地考慮了將來(lái)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)到IPv6的情況，同時(shí)它需要的支持也很少。
但這種方式要求對(duì)NAT進(jìn)行修改，現(xiàn)在NAT的分布已非常廣泛，而且很多NAT設(shè)備部署在公司、機(jī)構(gòu)無(wú)法控制的地方，例如：ISP部署NAT在它的接入服務(wù)器上。因此，實(shí)施這種方式的費(fèi)用較高，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。
3.3 專用NAT方法
其基本思想是：在VPN網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)包時(shí)作一次該網(wǎng)關(guān)專用的NAT，將通信鏈路中作了NAT的數(shù)據(jù)包根據(jù)策略配置恢復(fù)沒有NAT時(shí)的IP地址或端口，當(dāng)數(shù)據(jù)包通過(guò)網(wǎng)關(guān)到達(dá)目的地時(shí)，與通信鏈路中沒有NAT時(shí)的數(shù)據(jù)包一樣。通過(guò)這種方式來(lái)解決IPSec與NAT兼容性問題的關(guān)鍵是：在雙方初始通信時(shí)確定NAT的存在，把經(jīng)過(guò)NAT的數(shù)據(jù)包和系統(tǒng)策略配置中的連接相聯(lián)系起來(lái)，為通信雙方的后續(xù)通信建立地址、策略綁定，維持這個(gè)連接的狀態(tài)，后續(xù)的通信根據(jù)連接狀態(tài)作NAT。
這種處理方式將內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)暴露給了通信對(duì)方的網(wǎng)關(guān)，通信鏈路中的竊聽者也能得到這部分信息，并且每個(gè)客戶端都必須安裝有這個(gè)解決方案的實(shí)現(xiàn)。專用NAT沒有正式文檔描述，在已有的幾個(gè)產(chǎn)品中可以見到，如e-Border Solution provided by Permeo Technologies，Inc。目前沒有提供也沒有實(shí)現(xiàn)這種方案的系統(tǒng)之間的兼容性。
3.4 UDP封裝方法
UDP封裝法[7]是IETF提出的一種用于IPSec穿越NAT的解決方案，基本思想是：由發(fā)送主機(jī)在發(fā)送前將IPSec數(shù)據(jù)包封裝在UDP中，到達(dá)接收方后再去掉外面的IP頭以及UDP封裝，從而使其中的IPSec數(shù)據(jù)包不受影響。ESP協(xié)議在傳輸模式和隧道模式下UDP封裝格式分別如圖1、圖2所示。
圖1 ESP傳輸模式UDP封裝數(shù)據(jù)格式變化圖
圖2 ESP隧道模式UDP封裝數(shù)據(jù)格式變化圖
UDP封裝法的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)IKE協(xié)商進(jìn)行改進(jìn)來(lái)配合。
1) IKE協(xié)商第一階段
在這一階段中需要完成兩種探測(cè)：探測(cè)對(duì)方是否支持NAT穿越（NAT-T）；探測(cè)在通信路徑中是否存在NAT設(shè)備。在IKE第一階段的前兩條交換消息中，發(fā)送“廠商ID載荷”，如果對(duì)方支持NAT，那么它就能識(shí)別此載荷，因?yàn)樗敿?xì)描述了對(duì)NAT穿越的支持。然后在主模式的第三個(gè)和第四個(gè)交換消息或者野蠻模式的第二個(gè)和第三個(gè)交換消息中，增加載荷NAT-D（NAT-Discovery），載荷的值是源或者目的地址和端口號(hào)的HASH值，計(jì)算如下：
HASH=HASH（CK-I│CK-R│IP│Port）
其中CK-I，CK-R分別是發(fā)送方和接收方的Cookie值。當(dāng)對(duì)方收到NAT-D載荷后，計(jì)算地址和端口的HASH值，如果與收到的相同，則表示它們之間沒有NAT，否則表明鏈路中有NAT設(shè)備對(duì)它做了改變。如果發(fā)送者不能確定自己的IP地址，它可以在報(bào)文中包含多個(gè)本地IP地址的HASH值，僅當(dāng)所有的HASH值均不匹配時(shí)，才表明有NA設(shè)備存在。
一些NAT設(shè)備不改變?cè)炊丝?00，即使NAT后面有多個(gè)客戶機(jī)。這些NAT設(shè)備通過(guò)Cookie值而不是端口來(lái)完成與后面多個(gè)客戶機(jī)的映射，這樣，IKE很難發(fā)現(xiàn)NAT設(shè)備的兼容性能力。最好的方法是發(fā)現(xiàn)存在NAT設(shè)備后，把IKE傳輸從端口500上移走。一般在NAT設(shè)備被探測(cè)到后，發(fā)起者必須立刻將UDP的源端口和目的端口都設(shè)置為4500。這樣會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題：IKE協(xié)商數(shù)據(jù)包（UDP數(shù)據(jù)包）和協(xié)商完成后的UDP封裝ESP數(shù)據(jù)包使用相同的端口4500進(jìn)行發(fā)送，為了區(qū)分出這兩種數(shù)據(jù)包，在IKE數(shù)據(jù)包的UDP頭和IKE頭之間添加四字節(jié)的Non-ESP標(biāo)志，與UDP封裝的ESP包中的SPI域?qū)R，且值為全零。封裝后的IKE包和ESP包的格式[8]如圖3所示。
圖3UDP封裝后IKE包和ESP包的區(qū)別
2) IKE協(xié)商第二階段
如果在第一階段發(fā)現(xiàn)有NAT設(shè)備存在，IKE的第二階段協(xié)商SA時(shí)就作相應(yīng)的變化：添加兩種新的模式：UDP封裝隧道模式和UDP封裝傳輸模式；增加NAT-OA以發(fā)送發(fā)起者的原始IP地址，以修正因NAT變換后的TCP/UDP校驗(yàn)和；位于NAT后面的IPSec發(fā)起方定期發(fā)送保持激活報(bào)文（keep alive），用以保持所建立的NAT映射不變。
該方案不需要對(duì)IKE或IPSec協(xié)議本身做任何的改動(dòng)，只需要對(duì)IKE的實(shí)現(xiàn)做一些小的改進(jìn)，該方法只依賴于NAT對(duì)UDP的支持，所以可以與絕大多數(shù)的NAT設(shè)備一起協(xié)同工作，具有簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，在總體上對(duì)NAT穿越問題有了較好的解決。但是，該方案的缺點(diǎn)也很明顯：不支持AH協(xié)議，增加了載荷長(zhǎng)度，延長(zhǎng)了IKE協(xié)商SA的時(shí)間，無(wú)法實(shí)現(xiàn)NAT后多主機(jī)發(fā)起通信，泄漏了內(nèi)網(wǎng)地址信息等。盡管如此，IETF提出的UDP封裝法及在它基礎(chǔ)上進(jìn)行的各種改進(jìn)，仍然是目前解決IPSec與NAT兼容性問題的主流技術(shù)。
3.5 TCP封裝方法
使用UDP協(xié)議的好處在于傳輸數(shù)據(jù)比較快，UDP協(xié)議在傳輸小數(shù)據(jù)量時(shí)確實(shí)比TCP協(xié)議有更好的效率。但是，當(dāng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大（如使用數(shù)字證書進(jìn)行身份認(rèn)證和密鑰協(xié)商）時(shí)，UDP協(xié)議數(shù)據(jù)容易失序和丟失；在一個(gè)噪音比較大，數(shù)據(jù)失真比較多，容易受干擾的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（如無(wú)線網(wǎng)絡(luò)）中，往往造成數(shù)據(jù)的大量失真。出現(xiàn)這些情況時(shí)，需要上層協(xié)議對(duì)UDP數(shù)據(jù)包進(jìn)行重新排序或重傳等操作，由此造成的效率損失往往比較大，在此我們可以考慮使用TCP協(xié)議進(jìn)行密鑰協(xié)商。TCP協(xié)議能夠很好地處理數(shù)據(jù)報(bào)的失序和丟失問題，在大數(shù)據(jù)量傳輸時(shí)也有很好的表現(xiàn)。TCP協(xié)議在建立過(guò)程和拆除過(guò)程中的數(shù)據(jù)交換所造成的效率損失并不比UDP協(xié)議處理時(shí)的損失大。
在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中，使用UDP封裝會(huì)遇到以下的復(fù)雜情況：UDP數(shù)據(jù)屬于上層數(shù)據(jù)，如果長(zhǎng)度比較大，IP層會(huì)對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行分片，先由IPSec協(xié)議對(duì)此分片數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，再由UDP協(xié)議進(jìn)行二次封裝以穿越NAT；到達(dá)目的地后拆除UDP的二次封裝，需要再由IP層對(duì)分片數(shù)據(jù)進(jìn)行重組。假如其中UDP二次封裝的一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)丟失，那么整個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)都需要重新發(fā)送而不是只發(fā)送丟失的數(shù)據(jù)分片。這將造成整個(gè)通信效率明顯下降。在此我們可以考慮使用TCP協(xié)議對(duì)IPSec數(shù)據(jù)包進(jìn)行二次封裝。TCP協(xié)議不會(huì)造成數(shù)據(jù)的失序和丟失，TCP協(xié)議會(huì)自動(dòng)重新發(fā)送丟失的數(shù)據(jù)報(bào)而不是全部業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)重新發(fā)送。此時(shí)使用TCP不會(huì)造成明顯的效率降低，而是更好地提供了數(shù)據(jù)的傳輸服務(wù)。
以上分析的雖然是復(fù)雜的情形，但VPN通信是面向廣域網(wǎng)的安全傳輸需求，它相比局域網(wǎng)環(huán)境中的通信要復(fù)雜得多，在實(shí)際應(yīng)用中各種情況都可能出現(xiàn)，所以用TCP代替UDP對(duì)IPSec數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝以穿越NAT設(shè)備的考慮是具有現(xiàn)實(shí)意義的。
4 結(jié)束語(yǔ)
基于IPSec的VPN技術(shù)和NAT技術(shù)都是充滿前途和廣泛被使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，解決IPSec和NAT的協(xié)同工作問題，對(duì)于部署VPN具有重要的意義。該文在詳細(xì)分析了影響IPSec和NAT無(wú)法兼容的原因后，提出了實(shí)現(xiàn)NAT穿越幾種方法，其中詳細(xì)介紹了比較適用于目前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的UDP封裝法，并提出了用TCP封裝IPSec數(shù)據(jù)包的設(shè)想，下一步的研究工作就是在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入加以完善。
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[7] RFC-3984-2005. A. Huttunen, W. Dixon, V. Volpe. UDPEncapsulation of IPsec Packets[S].
udp協(xié)議篇6
關(guān)鍵詞： TCP/IP；TCP協(xié)議； UDP協(xié)議；Winsock；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)
中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）04-0731-06
Design of TCP and UDP Communication Test Software
TU Jin-long
（Nanjing Communications Institute of Technology， Nanjing 211188， China）
Abstract： TCP and UDP are two protocols of TCP/IP transmission layer protocol. They use IP routing function to send packets to destinations， thus provide network services for applications and application layer protocols. TCP and UDP both have their advantages and disadvantages， the mai n difference between them lies in the connection state. Applications choose accord to the actual usage. Winsock can be used to write client and server applications without the need of knowing details of the TCP/IP. By setting Winsock attributes and call its control methods， connection to remote computers and two-way data exchange can be easily achieved.
Key words： TCP/IP； TCP protocol； UDP protocol； Winsock； remote monitoring
根據(jù)國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，各地應(yīng)加強(qiáng)對(duì)客運(yùn)車輛燃料消耗量檢測(cè)和監(jiān)督管理，加快淘汰、更新高耗能的老舊營(yíng)運(yùn)車輛。但迄今為止，我國(guó)客運(yùn)行業(yè)的能耗統(tǒng)計(jì)一直采用手工填寫統(tǒng)計(jì)報(bào)表的方式，不僅投入的人力物力大、數(shù)據(jù)誤差大，而且不能實(shí)時(shí)了解能耗情況。為此，需要研發(fā)一種客車能耗遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便實(shí)時(shí)快速地采集客車運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的有關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的客車能耗數(shù)據(jù)分析、處理、評(píng)估，從而改變現(xiàn)行的由人工按月或年度填寫報(bào)表的統(tǒng)計(jì)方式，提高工作效率及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為管理部門對(duì)高能耗高污染車輛實(shí)施強(qiáng)制淘汰或報(bào)廢提供數(shù)據(jù)支持。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的生活和工作越來(lái)越離不開網(wǎng)絡(luò)，尤其是網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面。針對(duì)移動(dòng)運(yùn)行的客車，要實(shí)時(shí)獲取有關(guān)數(shù)據(jù)，就需要憑借無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控中心。在眾多的網(wǎng)絡(luò)通信中，以TCP/IP協(xié)議最為流行，為了測(cè)試遠(yuǎn)程無(wú)線通信在具有防火墻的系統(tǒng)中的有效性，針對(duì)應(yīng)用的特殊性，以及為了順利進(jìn)行軟硬件的配接，需要先編寫一個(gè)測(cè)試通信鏈路的TCP和UDP通信測(cè)試軟件。
TCP和UDP是TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)傳輸層協(xié)議，它們使用IP路由功能把數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的地，從而為應(yīng)用程序及應(yīng)用層協(xié)議提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。TCP提供的是面向連接的可靠的端到端傳送服務(wù)，它可以在低層不可靠的情況下（如出現(xiàn)分組傳輸?shù)膩G失、亂序等）提供可靠的傳輸機(jī)制。而UDP提供的是無(wú)連接的、不可靠的傳輸服務(wù)，在數(shù)據(jù)傳輸之前，不需要建立連接，而且收方收到UDP數(shù)據(jù)報(bào)文之后，也不需要給出任何應(yīng)答信息。顯然，UDP減少了很多的為保證可靠傳輸而附加的額外開銷，因而它的效率高[1]。因此，TCP與UDP各有其優(yōu)缺點(diǎn)，要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行選擇。
1 TCP和UDP測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)
使用TCP和UDP通信的方法有多種，在VB開發(fā)平臺(tái)上使用Winsock控件來(lái)設(shè)計(jì)軟件可以說(shuō)是最方便的。Winsock即Windows Sockets規(guī)范的簡(jiǎn)稱，是目前最流行的網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用程序接口之一。Socket通常也稱作“套接字”，用于描述IP地址和端口，是一個(gè)通信鏈的句柄。應(yīng)用程序通常通過(guò)“套接字”向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請(qǐng)求或者應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。
Winsock控件對(duì)用戶是不可見的，但它提供了訪問TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的捷徑，使用它可以通過(guò)UDP協(xié)議或TCP協(xié)議方便地連接到遠(yuǎn)程的機(jī)器并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。用Winsock控件編寫客戶和服務(wù)器應(yīng)用程序，不需要了解TCP/IP或調(diào)用底層Winsock API的具體細(xì)節(jié)。通過(guò)設(shè)置Winsock控件的屬性和調(diào)用該控件的方法，可以很容易地連接到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)并進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)交換。
使用WinSock控件時(shí)，首先要確定的是使用TCP還是UDP協(xié)議，它們之間主要的區(qū)別在于連接狀態(tài)。
1.1 TCP測(cè)試軟件設(shè)計(jì)
TCP協(xié)議是面向連接的協(xié)議，在數(shù)據(jù)傳輸前就建立好了點(diǎn)到點(diǎn)的連接。TCP網(wǎng)絡(luò)程序工作原理如圖1所示[2]。
圖1 TCP網(wǎng)絡(luò)程序工作原理
基于 TCP/IP 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信主要模式就是客戶機(jī)/服務(wù)器模式（Client/Server 模式，簡(jiǎn)稱 C/S），即客戶端提出請(qǐng)求，服務(wù)器在監(jiān)聽時(shí)接收到請(qǐng)求后就提供請(qǐng)求服務(wù)。遠(yuǎn)程控制是基于 C/S 模式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以程序分為服務(wù)器和客戶端程序。客戶端和服務(wù)器端連接成功后，通過(guò)信息交換取得相應(yīng)的服務(wù)。因此，在進(jìn)行編程時(shí)，服務(wù)器端程序應(yīng)設(shè)置Winsock控件的LocalPort屬性和調(diào)用 Listen 方法來(lái)監(jiān)聽，客戶機(jī)端程序則要設(shè)置 Winsock 控件的 RemoteHost 和 RemotePort 屬性、調(diào)用 Connect 方法請(qǐng)求連接[3]。一旦建立了連接，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間就可以發(fā)送和接受數(shù)據(jù)了。要發(fā)送數(shù)據(jù)，調(diào)用SendData方法。當(dāng)接受數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生DataArrival事件。在DataArrival事件中調(diào)用GetData方法來(lái)接收數(shù)據(jù)。
在VB6開發(fā)平臺(tái)上可以方便地使用Winsock控件來(lái)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信軟件，為了測(cè)試的方便，將客戶端和服務(wù)器端的軟件設(shè)計(jì)在同一軟件中，通過(guò)標(biāo)簽來(lái)選擇是客戶端還是服務(wù)器端，或是UDP測(cè)試，也可以在同一臺(tái)電腦中運(yùn)行軟件完成測(cè)試。在設(shè)計(jì)階段，添加好必要的窗體和按鈕、文本框并設(shè)置所需的名稱、屬性后，在窗體中放置Winsock控件，在屬性窗口里的協(xié)議，選擇sckTCPProtocol，也可以在代碼里配置協(xié)議，例如：
Winsock1.Protocol=sckTCPProtocol
1.1.1服務(wù)器端程序
為了能接受多個(gè)連接請(qǐng)求，需要?jiǎng)?chuàng)建新的控件實(shí)例，調(diào)用新的實(shí)例中的接受方法。下面是創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)器端程序的主要內(nèi)容：
1）設(shè)置端口并偵聽（監(jiān)聽）。雙擊“開始偵聽”按鈕，在代碼中加入要設(shè)置的LocalPort，并開始監(jiān)聽，代碼如下：
Private Sub cmdListen_Click（）
If TCP_Server（0）.State sckClosed Then TCP_Server（0）.Close
TCP_Server（0）.LocalPort = txtLocalPort（2）.Text
TCP_Server（0）.Listen
End Sub
2）監(jiān)聽連接請(qǐng)求。監(jiān)聽方法在控件中被調(diào)用，每個(gè)連接請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，代碼會(huì)測(cè)試看它的索引（Index）是否為0（監(jiān)聽控件的值），根據(jù)其值是否為0執(zhí)行不同的操作。代碼如下：
Private Sub TCP_Server_ConnectionRequest（Index As Integer， ByVal requestID As Long）
Dim i As Long
If Index = 0 Then '主Winsock——Winsock（0）發(fā)生消息
i = 1
If maxConnext > 0 Then
While i
i = i + 1
DoEvents
Wend
End If
If i
TCP_Server（i）.LocalPort = txtLocalPort（2）.Text
TCP_Server（i）.Accept requestID
nowconnext（i） = True 'Winsock（i）被占用
Else
If maxConnext > 50 Then
MsgBox "已經(jīng)達(dá)到最大用戶數(shù)！"， vbExclamation + vbOKOnly， "提示"
Exit Sub
End If
maxConnext = maxConnext + 1
Load TCP_Server（maxConnext）
TCP_Server（maxConnext）.LocalPort = txtLocalPort（2）.Text
TCP_Server（maxConnext）.Accept requestID
ReDim Preserve nowconnext（maxConnext + 1）
nowconnext（maxConnext） = True
ReDim Preserve saveServerData（maxConnext + 1）
ReDim Preserve saveServerIndex（maxConnext + 1）
i = maxConnext
End If
End If
End Sub
3）服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)。若選中發(fā)送回車符，則在代碼中增加發(fā)送回車符，若選中發(fā)送換行符，則在代碼中增加發(fā)送換行符。若是廣播，則逐個(gè)發(fā)送，否則需要選擇發(fā)送目標(biāo)。主要代碼如下：
Private Sub cmdSend3_Click（）
Dim i As Integer
Dim sendresult As Long
Dim sendsrc（） As Byte
Dim sendsrclen As Long
Dim sendmess（1 To 1024） As Byte
Dim outByte（） As Byte
If Me.ckHex（2）.Value = 1 Then '十六進(jìn)制發(fā)送
sendsrclen = Len（txtSend（2）.Text） / 2 - 1
ReDim sendsrc（0 To sendsrclen）
For i = 0 To sendsrclen
sendsrc（i） = Val（"&H" & Mid（txtSend（0）.Text， i * 2 + 1， 2））
Next
Else
outByte = StrConv（txtSend（2）.Text， vbFromUnicode）
sendsrc = outByte
sendsrclen = UBound（outByte）
End If
If chkGB.Value = 1 Then
For i = 1 To maxConnext
If TCP_Server（i）.State = sckConnected Then
TCP_Server（i）.SendData sendsrc
End If
DoEvents
Next
Else
Dim findSerVer As Boolean
For i = 1 To maxConnext
If saveServerIndex（i） = Val（Combo1.Text） Then
findSerVer = True
Exit For
End If
Next
If i > 0 And findSerVer = True Then
If TCP_Server（i）.State = sckConnected Then
TCP_Server（i）.SendData sendsrc
End If
Else
MsgBox "請(qǐng)選擇發(fā)送目標(biāo)！"， ， "提示："
End If
End If
End Sub
4）服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)到達(dá)后，先調(diào)用TCP_Server控件的getdata方法，將接收的數(shù)據(jù)以vbstring數(shù)據(jù)類型，存放在strdata變量之中，然后再加到txtReceive（2）控件之中。主要代碼如下：
Private Sub TCP_Server_dataarrival（Index As Integer， ByVal bytestotal As Long）
Dim strdata As String
TCP_Server（Index）.GetData strdata， vbString
txtReceive（2）.Text = txtReceive（2）.Text & Index & "：" & TCP_Server（Index）.RemoteHostIP & "：" & TCP_Server（Index）.RemotePort & "：" & strdata & vbCr
End Sub
以上是創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)器端程序的主要內(nèi)容，為了方便使用，還可適當(dāng)增加一些輔助的功能，運(yùn)行后的服務(wù)器端界面如圖2所示。
圖2 TCP協(xié)議服務(wù)器端測(cè)試軟件運(yùn)行界面
1.1.2 客戶端程序
1）設(shè)置遠(yuǎn)程主機(jī)端口并連接。雙擊“建立連接”按鈕，在代碼中指定遠(yuǎn)程主機(jī)的ip地址，并調(diào)用TCP_Client控件的connect方法，來(lái)初始化與主機(jī)的連接請(qǐng)求，代碼如下：
Private Sub cmdConnect_Click（）
On Error GoTo connectErr
If Tcp_Client.State sckClosed Then Tcp_Client.Close
Tcp_Client.RemoteHost = txtRemoteHost（1）.Text
Tcp_Client.RemotePort = txtRemotePort（1）.Text
Tcp_Client.Connect
TimerConnect.Enabled = True
Exit Sub
connectErr：
StatusBar1.Panels.Item（2）.Text = "未能成功連接。" & Err.Number
End Sub
2）客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。若選中發(fā)送回車符，則在代碼中增加發(fā)送回車符，若選中發(fā)送換行符，則在代碼中增加發(fā)送換行符。主要代碼如下：
Private Sub cmdSend2_Click（）
Dim i As Integer
Dim sendresult As Long
Dim sendsrc（） As Byte
Dim sendsrclen As Long
Dim sendmess（1 To 1024） As Byte
Dim outByte（） As Byte
On Error Resume Next
If Me.ckHex（1）.Value = 1 Then '十六進(jìn)制發(fā)送
sendsrclen = Len（txtSend（1）.Text） / 2 - 1
ReDim sendsrc（0 To sendsrclen）
For i = 0 To sendsrclen
sendsrc（i） = Val（"&H" & Mid（txtSend（0）.Text， i * 2 + 1， 2））
Next
Else
outByte = StrConv（txtSend（1）.Text， vbFromUnicode）
sendsrc = outByte
sendsrclen = UBound（outByte）
End If
If chk13（1）.Value = 1 Then
sendsrclen = sendsrclen + 1
ReDim Preserve sendsrc（0 To sendsrclen）
sendsrc（sendsrclen） = 13
End If
If chk10（1）.Value = 1 Then
sendsrclen = sendsrclen + 1
ReDim Preserve sendsrc（0 To sendsrclen）
sendsrc（sendsrclen） = 10
End If
If Tcp_Client.State = sckConnected Then
Tcp_Client.SendData sendsrc
Else
MsgBox "請(qǐng)先建立連接！"， ， "提示："
End If
End Sub
3）客戶端接收數(shù)據(jù)，先調(diào)用TCP_Client控件的getdata方法，將接收的數(shù)據(jù)以vbstring數(shù)據(jù)類型存放strdata變量之中，然后將strdata變量的內(nèi)容，加到txtReceive（1）控件之中。主要代碼如下：
Private Sub TCP_Client_dataarrival（ByVal bytestotal As Long）
Dim strdata As String
Tcp_Client.GetData strdata， vbString
txtReceive（1）.Text = txtReceive（1）.Text & strdata
End Sub
本部分是創(chuàng)建一個(gè)客戶端程序的主要內(nèi)容，運(yùn)行后的界面如圖3所示。
1.2 UDP測(cè)試軟件
UDP是無(wú)連接的協(xié)議。與TCP操作不同，計(jì)算機(jī)并不建立一個(gè)連接。并且，UDP應(yīng)用程序可以是用在客戶端，也可以用在服務(wù)器端。使用UDP協(xié)議，在兩個(gè)Winsock控制間進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，在連接的兩端必須完成以下三步：
1）設(shè)置RemoteHost屬性；
2）設(shè)置RemotePort屬性；
3）申請(qǐng)Bind方法。
通過(guò)使用方法Bind，則可將該Winsock捆綁到一個(gè)本地端口，以便該Winsock使用該端口來(lái)進(jìn)行類似TCP的“監(jiān)聽”功能，并防止其它應(yīng)用使用該端口。
使用UDP協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，首先設(shè)置客戶計(jì)算機(jī)的LocalPort屬性。而作為服務(wù)器的計(jì)算機(jī)僅需要設(shè)置RemoteHost屬性為客戶計(jì)算機(jī)的IP地址或域名，并將其RemotePort屬性設(shè)置成客戶計(jì)算機(jī)上的LocalPort屬性。主要代碼如下：
WinsockUDP.RemoteHost = txtRemoteHost（0）.Text
WinsockUDP.RemotePort = txtRemotePort（0）.Text
WinsockUDP.LocalPort = txtLocalPort（0）.Text
WinsockUDP.Bind txtLocalPort（0）
然后就可通過(guò)SendData方法來(lái)開始信息發(fā)送，客戶計(jì)算機(jī)則可在其DataArrial事件中使用方法GetData來(lái)獲取發(fā)送的信息，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的代碼與TCP通信的代碼類似。UDP測(cè)試程序運(yùn)行后的界面如圖4所示。
圖4 UDP協(xié)議測(cè)試軟件運(yùn)行界面
2 結(jié)束語(yǔ)
TCP和UDP是TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)傳輸層協(xié)議，它們使用IP路由功能把數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的地，從而為應(yīng)用程序及應(yīng)用層
協(xié)議提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。TCP提供的是面向連接的可靠的端到端傳送服務(wù)，而UDP提供的是無(wú)連接的傳輸服務(wù)，在數(shù)據(jù)傳輸之前，不需要建立連接，因而它的效率高。TCP與UDP各有其優(yōu)缺點(diǎn)，它們之間主要的區(qū)別在于連接狀態(tài)，應(yīng)用時(shí)要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行選擇。
使用TCP和UDP通信的方法有多種，在VB開發(fā)平臺(tái)上使用Winsock控件來(lái)設(shè)計(jì)軟件可以說(shuō)是最方便的。用Winsock控件編寫客戶和服務(wù)器應(yīng)用程序，不需要了解TCP/IP的具體細(xì)節(jié)。通過(guò)設(shè)置Winsock控件的屬性和調(diào)用該控件的方法，可以很容易地連接到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)并進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)交換。
參考文獻(xiàn)：
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[2] 茹志鵑.基于TCP協(xié)議的Socket數(shù)據(jù)通信[J].科技信息，2012 （13）：69，93
udp協(xié)議篇7
關(guān)鍵詞：車輛監(jiān)控系統(tǒng)； GPS； GPRS； UDP
中圖分類號(hào)：TN919-34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-373X(2011)24-0107-03
Vehicle Monitoring System Based on GPRS Technology
WU Xiao-bin1, DU Dong-gao2
(1. Computer College, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 210000, China;
2. College of Information Engineering, Jiaozuo University, Jiaozuo 454003, China)
Abstract： In order to implement the positioning tracking for dangerous goods, passenger, cargo transport vehicles and other special project vehicles, the GPS positioning system and GPRS communication technology are adopted for the achievement of real-time vehicle monitoring system. The data communication between the vehicle terminal and the control center is achieved by taking GPRS communication technology as a carrier of information transmission to display real-time traffic information by GPS positioning and WEBGIS technologies. The system has the advantages of high-speed communication, strong communication format scalability, high communication reliability and strong client controlling capacity to vehicles. The vehicle front-end status and location are displayed by Web page. It is easy for the clients to use the system.
Keywords： vehicle monitoring system; GPS; GPRS; UDP
收稿日期：2011-07-23
基金項(xiàng)目：南京工程學(xué)院青年基金資助項(xiàng)目（QKJB2009023）
0 引 言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,車輛日益增多,交通運(yùn)輸?shù)慕?jīng)營(yíng)管理,貨運(yùn)、客運(yùn)的安全管理等,已成為公安、交通系統(tǒng)中的一個(gè)重要問題。車輛監(jiān)控系統(tǒng)以全球定位系統(tǒng)（Global Position System,GPS）和GPRS（General Packet Radio Service）通信技術(shù)基礎(chǔ)，它可以將車載單元上接受到的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控中心服務(wù)器上，監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)再利用地理信息系統(tǒng)的地圖顯示功能，以及信號(hào)指令的發(fā)送功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)車輛的跟蹤與調(diào)度控制，從而建立起的一種大范圍、全方位發(fā)揮作用的、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合車輛調(diào)度和管理系統(tǒng)。系統(tǒng)基于Internet網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)控中心、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端、數(shù)據(jù)服務(wù)器、無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)、GPS 車載終端有機(jī)地結(jié)合在一起，以Internet服務(wù)器為核心實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)控。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
基于GPRS的車輛監(jiān)控信息系統(tǒng)由4個(gè)主要部分構(gòu)成,即監(jiān)控服務(wù)中心、車載終端、監(jiān)控終端及無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成；監(jiān)控服務(wù)中心是系統(tǒng)的核心部分，它連接車載終端和客戶端。監(jiān)控服務(wù)中心由Web服務(wù)器，通信服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器構(gòu)成。通信服務(wù)器接受車載終端的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
2.1 GPRS通信技術(shù)及UDP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議
在車輛和監(jiān)控中心之間需要通信設(shè)備來(lái)發(fā)送或接收信息。通信手段的選擇是監(jiān)控系統(tǒng)的難點(diǎn)和技術(shù)關(guān)鍵。合理的通信方式的選擇可以為監(jiān)控系統(tǒng)的指揮調(diào)度、報(bào)警處理提供一個(gè)穩(wěn)定、快速的平臺(tái)。
車輛監(jiān)控系統(tǒng)使用GPRS網(wǎng)絡(luò)作為傳輸載體。GPRS是一種采用分組交換和傳輸技術(shù)的高效率數(shù)據(jù)傳輸方式。它克服了電路交換速率低、資源利用率差等缺點(diǎn)，最大限度地利用了現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)資源，提高了傳輸速率。 相對(duì)于短消息方式來(lái)說(shuō)，GPRS服務(wù)既提高了質(zhì)量又降低了使用費(fèi)用。移動(dòng)車載終端與監(jiān)控調(diào)度中心之間的通信突發(fā)性較強(qiáng)，而每次數(shù)據(jù)量較小，使用GPRS網(wǎng)絡(luò)作為其傳輸載體是目前比較理想的解決方案，GPRS通信主要分為TCP和UDP協(xié)議。
TCP和UDP協(xié)議同在傳輸層，由于本系統(tǒng)每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小而且突發(fā)性強(qiáng)，所以采用UDP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。UDP協(xié)議的主要作用是將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流壓縮成數(shù)據(jù)報(bào)的形式。一個(gè)典型的數(shù)據(jù)報(bào)就是一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的傳輸單位。UDP協(xié)議為不可靠的傳輸協(xié)議，不提供數(shù)據(jù)傳送的保障機(jī)制。如果在從發(fā)送方到接收方的傳遞過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)的丟失，協(xié)議本身并不能做出任何檢測(cè)或提示。因此，必須在應(yīng)用層的協(xié)議中添加保障信息傳輸可靠性的確認(rèn)機(jī)制。監(jiān)控中心向終端下傳數(shù)據(jù)時(shí)，要求終端返回接收正確或錯(cuò)誤的確認(rèn)信息，監(jiān)控中心收到正確的確認(rèn)信息后數(shù)據(jù)下傳進(jìn)程才完畢。否則，監(jiān)控中心將在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)重發(fā)，直到收到正確的確認(rèn)信息或發(fā)送次數(shù)標(biāo)志溢出才終止。
GPRS網(wǎng)絡(luò)UDP端口資源十分緊缺，變化很快；UDP由于自身特點(diǎn)，以及GPRS網(wǎng)絡(luò)UDP端口資源的有限性，在一段時(shí)間沒有數(shù)據(jù)流量后，端口容易改變，產(chǎn)生的影響就是從服務(wù)器中心端向GPRS終端發(fā)送數(shù)據(jù)，GPRS終端接收不到。原因是移動(dòng)網(wǎng)關(guān)從中做了中轉(zhuǎn)，需要隔一定時(shí)間給主機(jī)發(fā)UDP包來(lái)維持該IP和端口號(hào),這樣主機(jī)就能主動(dòng)給GPRS發(fā)UDP包，筆者在測(cè)試中發(fā)現(xiàn),這個(gè)間隔時(shí)間很短,約1 min發(fā)一次UDP包才能夠維持,再長(zhǎng)時(shí)間移動(dòng)網(wǎng)關(guān)那邊就要丟失這個(gè)端口了,逾期主機(jī)想主動(dòng)發(fā)數(shù)據(jù)給終端,將無(wú)法送達(dá)。只有GPRS終端設(shè)備重新發(fā)一個(gè)UDP包過(guò)去,移動(dòng)再分配一個(gè)中轉(zhuǎn)IP和端口,才能夠進(jìn)行雙向通信。為保證端口有效性和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性，終端設(shè)備每5 s發(fā)送一條包含定位和狀態(tài)的數(shù)據(jù)給服務(wù)器。
2.2 基于C＃發(fā)送、接收UDP數(shù)據(jù)包使用的主要方法
(1) UDP數(shù)據(jù)類。用Visual C＃實(shí)現(xiàn)UDP協(xié)議，最為常用，也是最為關(guān)鍵的類就是UdpClient，UdpClient位于命名空間.Sockets中，Visual C＃發(fā)送、接收UDP數(shù)據(jù)包都是通過(guò)UdpClient類的。UdpClient類主要有以下幾個(gè)方法，見表1。
（2） 接受終端UDP數(shù)據(jù)。接收UDP數(shù)據(jù)包使用的是UdpClient中的“Receive”方法。此方法的調(diào)用語(yǔ)法如下： public byte ［］ Receive ( ref IPEndPoint remoteEP )； 參數(shù)remoteEP 是一個(gè)IPEndPoint類的實(shí)例，它表示網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送此數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)。下面就是通過(guò)偵聽本地端口號(hào)“8080”來(lái)獲取信息代碼：
UdpClient server = new UdpClient (8080);
IPEndPoint receivePoint = new IPEndPoint (IPAddress.Any,0);
byte［］ recData = server.Receive ( ref receivePoint );
recData就是接受到的UDP報(bào)文，其中UDP包頭結(jié)構(gòu)如下：源端口16位，目的端口16位，長(zhǎng)度 16位，校驗(yàn)和 16位；上文中闡述了GPRS的UDP端口非常緊缺，隨時(shí)會(huì)變化，在每次接受到UDP報(bào)文后，必須記錄源端口、IP地址。receivePoint參數(shù)是引用類型，receive到新的UDP后，receivePoint對(duì)象的address和port屬性值就是發(fā)送源的IP地址和端口。這個(gè)IP和端口未必是真的終端的IP和端口。因?yàn)榻K端上的應(yīng)用程序綁定本地一個(gè)端口(比如是9002)，通過(guò)這個(gè)端口發(fā)送請(qǐng)求給路由器，路由器由此記錄下終端的內(nèi)網(wǎng)IP和端口(9002),然后路由器分配自己的一個(gè)空閑端口(比如是7000)，通過(guò)這個(gè)端口(7000)發(fā)送請(qǐng)求給監(jiān)控中心。而對(duì)于監(jiān)控中心，它沒有任何關(guān)于終端的信息，它要做的只是回信息到路由器的外網(wǎng)IP的7000這個(gè)端口。路由器收到發(fā)送到其7000端口的數(shù)據(jù)后會(huì)再轉(zhuǎn)發(fā)給終端。
（3） 發(fā)送UDP數(shù)據(jù)報(bào)。發(fā)送UDP數(shù)據(jù)報(bào)使用” Send”方法。“Send”方法的調(diào)用語(yǔ)法如下：public int Send ( byte［］ dgram,int bytes,IPEndPoint endPoint )； 參數(shù)說(shuō)明：dgram 要發(fā)送的 UDP 數(shù)據(jù)文報(bào)（以字節(jié)數(shù)組表示）。bytes 數(shù)據(jù)文報(bào)中的字節(jié)數(shù)。 endPoint 一個(gè) IPEndPoint，它表示要將數(shù)據(jù)文報(bào)發(fā)送到的主機(jī)和端口。 返回值是已發(fā)送的字節(jié)數(shù)。下面使用UDPClient發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包的具體的調(diào)用例子：
string IP =receivePoint.Address.ToString();
int Port = receivePoint.Port;
//receivePoint在上文中描述過(guò)，為Receive接受UDP時(shí)的引用；
IPEndPoint host = new IPEndPoint (IP,Port)；
UdpClient.Send ( "發(fā)送的字節(jié)","發(fā)送的字節(jié)長(zhǎng)度",host )；
該代碼實(shí)現(xiàn)了對(duì)某終端發(fā)送UDP報(bào)文后的回復(fù)。如果需要主動(dòng)向終端發(fā)送報(bào)文則需要從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取該終端最近一次的IP和端口號(hào)，調(diào)用該方法發(fā)送內(nèi)容。
2.3 數(shù)據(jù)封裝和轉(zhuǎn)存
監(jiān)控中心與客戶端的數(shù)據(jù)通信包含2種：一種是上行數(shù)據(jù)，一種是下行數(shù)據(jù)。上行數(shù)據(jù)包含終端匯報(bào)車輛的狀態(tài)信息，車輛實(shí)時(shí)信息，車輛語(yǔ)音信息，視頻信息等。下行信息包含對(duì)終端的回應(yīng)，車輛的實(shí)時(shí)控制等信息。數(shù)據(jù)種類大約一百多種，可分為20多種格式。針對(duì)每種格式定義一個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)接受和轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和分析。終端返回?cái)?shù)據(jù)一般是結(jié)構(gòu)類型，為保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確和便捷，C#也使用同樣的結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接受。上文中UDP報(bào)文接受到的正文是byte類型，該byte內(nèi)容有報(bào)文頭和報(bào)文類型、校驗(yàn)部分和正文構(gòu)成。根據(jù)報(bào)文類型找到對(duì)應(yīng)的C#結(jié)構(gòu)體structType。利用Marshal.SizeOf(structType);獲取結(jié)構(gòu)體大小，并進(jìn)行分配空間：IntPtr structPtr = Marshal.AllocHGlobal(size); 然后將byte數(shù)組拷到分配好的內(nèi)存空間： Marshal.Copy(recData,0,structPtr,size); 將內(nèi)存空間轉(zhuǎn)換為目標(biāo)結(jié)構(gòu)體object obj = Marshal.PtrToStructure(structPtr,structType)。為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度，這些數(shù)據(jù)分為2種處理方式，如非緊急數(shù)據(jù)直接保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，而如果是緊急數(shù)據(jù)，比如車輛報(bào)警數(shù)據(jù)，車輛控制數(shù)據(jù)則直接通過(guò)Socket連接發(fā)送到Web服務(wù)器，由Web服務(wù)器推送到瀏覽器監(jiān)控端。
3 結(jié) 語(yǔ)
本文主要分析了監(jiān)控系統(tǒng)的GPRS通信技術(shù)，詳細(xì)介紹了基于GPRS的UDP數(shù)據(jù)通信流程和方法，實(shí)現(xiàn)了C#環(huán)境下接受，發(fā)送UDP數(shù)據(jù)報(bào)文，協(xié)議的定制，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存等關(guān)鍵技術(shù)。本文解決的問題是監(jiān)控系統(tǒng)的核心內(nèi)容，但并不是全部，一個(gè)完整的系統(tǒng)還應(yīng)包括終端硬件設(shè)計(jì)以及后臺(tái)監(jiān)控軟件、GIS地圖顯示等許多方面。今后，應(yīng)通過(guò)進(jìn)一步的研究，解決系統(tǒng)其他相關(guān)技術(shù)。
參 考 文 獻(xiàn)
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udp協(xié)議篇8
【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)測(cè)量；時(shí)延；測(cè)量技術(shù)
0 引言
隨著Internet的發(fā)展，其規(guī)模迅速擴(kuò)大、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不斷出現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)日益復(fù)雜。但具有開放、分布式、不協(xié)作、異構(gòu)等特點(diǎn)的因特網(wǎng)有效管理和控制變得更難。人們致力于在各種情況下尋找和建立連接，主要關(guān)注分組向那里發(fā)送，而較少關(guān)注發(fā)送分組的時(shí)間。分組到達(dá)的時(shí)間時(shí)延大大影響了因特網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。要提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，就要找出存在問題。當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：時(shí)延、流量、丟包率、吞吐量（帶寬）等。其中網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是最重要、最常用的性能指標(biāo)。
1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的基本概念和時(shí)延測(cè)量原理
時(shí)延是指一個(gè)報(bào)文或分組從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一段傳送到另一端所需的時(shí)間。時(shí)延由發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延和處理時(shí)延組成。發(fā)送時(shí)延是節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)使數(shù)據(jù)塊從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入傳媒所需要時(shí)間，也就是數(shù)據(jù)塊的第一個(gè)比特開始發(fā)送算起，到最后一個(gè)比特發(fā)送完畢所需時(shí)間，也稱為傳輸時(shí)延。處理時(shí)延是指數(shù)據(jù)在交換節(jié)點(diǎn)為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)而進(jìn)行必要的處理所花費(fèi)時(shí)間。
2 時(shí)延測(cè)量中的關(guān)鍵技術(shù)和影響因素
時(shí)延測(cè)量首先要消除測(cè)量中出現(xiàn)的隨機(jī)性。網(wǎng)絡(luò)分組的時(shí)延是一個(gè)隨時(shí)間變化的隨機(jī)變量，由固定時(shí)延和可變時(shí)延兩部分構(gòu)成。固定時(shí)延是基本上不變的，它由傳輸時(shí)延和傳播時(shí)延構(gòu)成。傳輸時(shí)延由分組大小和鏈路的容量決定，一個(gè)分組的大小一旦固定，通過(guò)的鏈路容量便是固定的，其傳輸時(shí)延也是固定的。傳播時(shí)延由固定的物理傳輸介質(zhì)確定并且是固定的。分組時(shí)延中的可變時(shí)延是由很多因素造成的。它可以分成中間路由器處理時(shí)延和排隊(duì)等待時(shí)延兩部分。對(duì)于任何一個(gè)分組，中間路由器總要對(duì)其進(jìn)行路由查表以確定其轉(zhuǎn)發(fā)端口，這個(gè)時(shí)間可以看成是處理時(shí)間。同時(shí)，中間路由器繁忙可能導(dǎo)致分組排隊(duì)等待處理，也需要一段等待時(shí)間。處理和等待時(shí)間是不固定的，由路由器的具體性能以及鏈路的擁塞狀況而定，是一個(gè)隨機(jī)變量。所以如果鏈路不出現(xiàn)擁塞，一個(gè)分組的最小時(shí)延便與該分組的大小成線性關(guān)系。分組的時(shí)延具有突發(fā)性和偶然性，為了能夠使測(cè)量結(jié)果盡可能地反映網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)情況，可以采用低通濾波的方法來(lái)消除隨機(jī)性。
其次，對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測(cè)量，必須保證網(wǎng)絡(luò)入口點(diǎn)和出口點(diǎn)時(shí)鐘同步。如果時(shí)鐘不同步，則時(shí)延測(cè)量會(huì)有很大誤差。網(wǎng)絡(luò)中路徑往往是非對(duì)稱的，或者即使路由是對(duì)稱的但往返具有不同的性能特征。單向時(shí)延測(cè)量要求嚴(yán)格的時(shí)鐘同步。GPS時(shí)間同步技術(shù)是當(dāng)前比較成熟的并在國(guó)際上廣泛使用的時(shí)間同步技術(shù)。單向時(shí)延測(cè)量一般要求、成本比較高。在實(shí)際的測(cè)量中，測(cè)量精度不是主要問題。網(wǎng)絡(luò)時(shí)延通常在數(shù)十到數(shù)百毫秒范圍內(nèi)，測(cè)量存在幾毫秒的誤差完全可以接受。因此測(cè)量方案都采用往返時(shí)延，可以避開時(shí)鐘同步問題。
網(wǎng)絡(luò)時(shí)延總是隨著網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況而不斷變化。通過(guò)分析，可將影響網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量的因素歸為兩類：1）網(wǎng)絡(luò)本身的性能，即完全獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)測(cè)量方法、僅與網(wǎng)絡(luò)本身特性相關(guān)的部分；2）測(cè)量報(bào)文的特定性能，與網(wǎng)絡(luò)具體的測(cè)量方式密切相關(guān).
目前，基于端到端的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量方法，能達(dá)到快速準(zhǔn)確的目的。這種方法，不是單個(gè)設(shè)備的時(shí)延測(cè)量，而是某一段甚至某一跳之間鏈路的時(shí)延測(cè)量。端到端往返時(shí)延的計(jì)算時(shí)間都在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，不存在時(shí)間同步問題，無(wú)需在測(cè)量的兩端都安裝測(cè)量軟件，只需要固定一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，另一個(gè)測(cè)量點(diǎn)可以任意選擇，使測(cè)量范圍擴(kuò)充到整個(gè)因特網(wǎng)。端到端傳輸優(yōu)點(diǎn)是鏈路建立后，發(fā)送端知道接收設(shè)備一定能收到，而且經(jīng)過(guò)中間交換設(shè)備時(shí)不需要進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，因此時(shí)延較小。端到端傳輸缺點(diǎn)是直到接收端收到數(shù)據(jù)為止，發(fā)送端設(shè)備一直要參與傳輸。如果網(wǎng)絡(luò)時(shí)延很長(zhǎng)，那么對(duì)發(fā)送端設(shè)備造成很大浪費(fèi)。端到端傳輸?shù)牧硪粋€(gè)缺點(diǎn)是如果接收設(shè)備關(guān)機(jī)或故障，那么端到端傳輸不可能實(shí)現(xiàn)。在端到端網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量中，要降低這種缺點(diǎn)帶來(lái)的影響，就要選擇合理的測(cè)量時(shí)段、數(shù)據(jù)包字長(zhǎng)和測(cè)量樣本等。
3 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量方法
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量其承載數(shù)據(jù)包的協(xié)議不同，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量方法可分為：基于ICMP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量。Ping是基于ICMP請(qǐng)求應(yīng)答報(bào)文開發(fā)的應(yīng)用軟件，用來(lái)診斷網(wǎng)絡(luò)故障，也是用來(lái)測(cè)量往返時(shí)延最常用的工具。Ping工具通過(guò)向網(wǎng)絡(luò)定地址發(fā)送ICMP echo報(bào)文，并監(jiān)聽回應(yīng)報(bào)文，根據(jù)回應(yīng)報(bào)文的探測(cè)結(jié)果，來(lái)評(píng)估主機(jī)路徑的可靠性、往返時(shí)延大小等。將報(bào)文封裝在ICMP報(bào)文中是目前網(wǎng)絡(luò)測(cè)量工具最常用的方式，但是ICMP報(bào)文也是用來(lái)進(jìn)行DOS攻擊的主要方式，因此在許多ICMP協(xié)議都被過(guò)濾了，可能會(huì)完全被阻塞。路由器可以限制ICMP回復(fù)的速率來(lái)避免被消耗過(guò)多的網(wǎng)絡(luò)帶寬和路由資源。這意味利用ICMP協(xié)議測(cè)量時(shí)延的結(jié)果是不可靠的。基于UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量。當(dāng)對(duì)方主機(jī)或者中間節(jié)點(diǎn)過(guò)濾掉ICMP報(bào)文后，可以使用UDP報(bào)文來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的往返時(shí)延測(cè)量。UDP報(bào)文的實(shí)現(xiàn)和ICMP報(bào)文較相似，都是無(wú)連接的。不同的是UDP協(xié)議需要指定一個(gè)端口，在實(shí)際使用時(shí)，可以任選一個(gè)端口，當(dāng)接收方該端口對(duì)應(yīng)的服務(wù)不存在時(shí)，會(huì)立即返回一個(gè)“端口不可到達(dá)”的IC-MP報(bào)文。因此，在使用UDP報(bào)文進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要注意發(fā)送方發(fā)送一個(gè)UDP報(bào)文，接收方反饋的不一定是UDP報(bào)文，也有可能是ICMP報(bào)文，這兩種返回的報(bào)文都可以用來(lái)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延。此外，UDP協(xié)議在實(shí)現(xiàn)時(shí)要注意其最大報(bào)文長(zhǎng)度與ICMP報(bào)文不同，通常應(yīng)小于500 Byte。但是將報(bào)文封裝在UDP報(bào)文中也有疑問。UDP沒有TCP協(xié)議所固有的擁塞控制算法，在UDP報(bào)文使用達(dá)到高峰時(shí)，為了減少對(duì)TCP流的影響，UDP報(bào)文的速率可能會(huì)受到限制。
基于TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量。針對(duì)防火墻設(shè)置，雖比較復(fù)雜，但可適用于測(cè)量某些前兩種方法不能工作的特定環(huán)境。除了選取合適的承載報(bào)文，TCP協(xié)議測(cè)量網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的難點(diǎn)包括TCP協(xié)議發(fā)送機(jī)制本身。TCP協(xié)議為提高傳輸效率，往往不是即時(shí)發(fā)送報(bào)文，而要收集足夠的數(shù)據(jù)后才發(fā)送，可能會(huì)產(chǎn)生發(fā)送方記錄的發(fā)送時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于時(shí)間發(fā)送時(shí)間，而使得測(cè)量的結(jié)果大于實(shí)際值的現(xiàn)象。為避免此現(xiàn)象的發(fā)生，要求在主動(dòng)測(cè)量時(shí)，不但要求發(fā)送方在承載的TCP報(bào)文中加入PSH標(biāo)志，此時(shí)將立即發(fā)送此數(shù)據(jù)報(bào)文而無(wú)需等待，同時(shí)也要求接收方在反饋該報(bào)文時(shí)，也必須帶PSH標(biāo)志。同理，在被動(dòng)測(cè)量時(shí)，要注意承載的報(bào)文必須是帶有PSH標(biāo)志的報(bào)文，并且對(duì)應(yīng)的反饋報(bào)文也必須同樣帶有PSH報(bào)文。也可以利用其它協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測(cè)量。方法基本和UDP或TCP類似，關(guān)鍵根據(jù)所在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的具體情況，靈活選擇承載報(bào)文，即能在發(fā)送方立即發(fā)送，而接收方收到后又能立即反饋的報(bào)文。
4 結(jié)論
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