劉喜作,周 晶,梁德清

(海軍大連艦艇學(xué)院模擬訓(xùn)練中心,遼寧大連116018)

1 引 言

當(dāng)前,運(yùn)用模擬器在艦艇部隊(duì)和院校進(jìn)行訓(xùn)練已經(jīng)非常普遍,其中網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件是模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的重要組成部分,要求有很好的可擴(kuò)展通信能力[1,2]。這主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn):數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性,支持組播通信方式,支持對(duì)等的通信方式(各個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元之間無(wú)明顯的客戶端與服務(wù)器端之分),支持大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸。

但現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)通信普遍采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議,針對(duì)上述要求存在很多不足。如采用TCP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信,勢(shì)必要建立服務(wù)器端和客戶端,增加了通信復(fù)雜度。TCP是一種可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,協(xié)議中增加了糾錯(cuò)和重發(fā)機(jī)制,影響了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性[3]。另外,TCP只支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式,不支持組播通信。而UDP是一種不可靠的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,無(wú)法保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。另外,UDP一次能夠傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)是有限的,不能大于65 467 byte[4],也就是說(shuō)UDP不支持大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸。

在基于UDP協(xié)議用于大數(shù)據(jù)量和可靠性數(shù)據(jù)傳輸方面,很多人也進(jìn)行了研究。陸海[5]針對(duì)多用戶使用UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的可靠傳輸需求,提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的分包與重組方法,但沒(méi)有對(duì)可靠性進(jìn)行描述。尹然然[6]通過(guò)比較分析傳輸層傳輸協(xié)議UDP的不可靠性和TCP的低效率,在UDP協(xié)議基礎(chǔ)上提出并實(shí)現(xiàn)了嵌入式設(shè)備的可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(RUDP協(xié)議),但文中只描述實(shí)現(xiàn)RUDP協(xié)議的一個(gè)程序流程。很多文獻(xiàn)沒(méi)有分析基于UDP協(xié)議可靠傳輸大數(shù)據(jù)包的性能問(wèn)題[7,8]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,利用UDP協(xié)議傳輸速度快、網(wǎng)絡(luò)利用效率高的優(yōu)勢(shì),提出AUDP(Augmented UDP)模型。該模型在網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用層,通過(guò)增加用于可靠傳輸?shù)膮f(xié)議頭、智能重發(fā)機(jī)制、大數(shù)據(jù)包智能分包重組機(jī)制,實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)模擬器中網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了該模型數(shù)據(jù)傳輸性能。

2 AUDP模型

在戰(zhàn)術(shù)模擬器中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大量是動(dòng)態(tài)目標(biāo)信息和指令數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)包大多是幾百字節(jié),即使仿真目標(biāo)增加到幾百批,字節(jié)數(shù)也不會(huì)超過(guò)1 Mbyte,為了滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求,本文提出AUDP模型。

如圖1所示,普通UDP/IP協(xié)議中共有4個(gè)層次,分別為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡(luò)接口層[9]。其中傳輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡(luò)接口層是運(yùn)用UDP/IP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信必須遵守的協(xié)議,否則,要更改相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)硬件驅(qū)動(dòng)程序。而利用UDP/IP協(xié)議進(jìn)行可靠性和大數(shù)據(jù)量的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸,只能在協(xié)議的最高層(應(yīng)用層)添加相應(yīng)協(xié)議模型,即圖1中的可靠時(shí)序協(xié)議層。這個(gè)可靠時(shí)序協(xié)議層要完成下面幾項(xiàng)功能:繼承UDP通信的高效性和組播通信機(jī)制;自動(dòng)辨識(shí)發(fā)送與接收數(shù)據(jù)包的時(shí)序性;完成可靠性傳輸?shù)幕貜?fù)重發(fā)機(jī)制;完成大數(shù)據(jù)量傳輸機(jī)制,即對(duì)于大于65 467 byte的數(shù)據(jù)包采用自動(dòng)分包發(fā)送,接收時(shí)自動(dòng)重組機(jī)制。

圖1 UDP/IP協(xié)議和AUDP/IP協(xié)議對(duì)比圖Fig.1 Relationship between UDP/IP model and AUDP/IP model

3 AUDP的內(nèi)部機(jī)制具體實(shí)現(xiàn)

事實(shí)上,基于UDP可靠性傳輸包含了網(wǎng)絡(luò)通信中很多層,即從網(wǎng)絡(luò)接口層到程序的應(yīng)用層。為了繼承UDP通信的高效性和組播通信機(jī)制,我們?cè)谕ㄐ艆f(xié)議的最高層(應(yīng)用層)添加可靠時(shí)序協(xié)議層模型。下面將系統(tǒng)闡述可靠時(shí)序協(xié)議層模型中的協(xié)議報(bào)文頭屬性項(xiàng)的定義、智能數(shù)據(jù)交換傳輸方法和多線程處理機(jī)制等,證明本文方法的可行性和有效性。

3.1 報(bào)文頭屬性項(xiàng)定義

為了達(dá)到上述目的,在發(fā)送每個(gè)數(shù)據(jù)包前增加一個(gè)報(bào)文頭,如表1所示。

表1 報(bào)文頭屬性項(xiàng)定義Table 1 The structure of the header

這個(gè)報(bào)文頭總共25 byte,它與收發(fā)方IP地址和端口號(hào)信息一樣,作為UDP協(xié)議頭文件的一部分進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。為了與UDP協(xié)議完全兼容,在報(bào)文頭最后增加了一個(gè)字節(jié),這個(gè)字節(jié)為0x01時(shí),用普通UDP通信,而當(dāng)這個(gè)字節(jié)為0x02時(shí),用改進(jìn)的UDP通信。

每一個(gè)數(shù)據(jù)包通過(guò)發(fā)送方IP、接收方IP和數(shù)據(jù)包標(biāo)志唯一確定,上述報(bào)文頭的定義和各項(xiàng)約束提供了基于UDP進(jìn)行可靠性傳輸?shù)臋C(jī)制和實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

3.2 智能數(shù)據(jù)交換

圖2為基于UDP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)可靠性傳輸?shù)牧鞒獭榱送瓿蓴?shù)據(jù)的智能交換和可靠性傳輸,流程中設(shè)置了相應(yīng)的自動(dòng)分包重組和重發(fā)機(jī)制,下面說(shuō)明其中關(guān)鍵步驟和實(shí)現(xiàn)方法。

圖2 智能數(shù)據(jù)傳輸交換機(jī)制Fig.2 Flowchart of smart data interchange

3.2.1 智能存儲(chǔ)

動(dòng)態(tài)智能存儲(chǔ)信息和數(shù)據(jù)是上述機(jī)制的能夠?qū)崿F(xiàn)的核心技術(shù),它包括狀態(tài)信息存儲(chǔ)、發(fā)送數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

狀態(tài)信息存儲(chǔ)是在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)存儲(chǔ)發(fā)送時(shí)間,在接收數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)存儲(chǔ)接收數(shù)據(jù)包的標(biāo)識(shí)和序列號(hào)。存儲(chǔ)的發(fā)送時(shí)間用來(lái)判斷此數(shù)據(jù)包在沒(méi)有收到確認(rèn)報(bào)文時(shí)再次發(fā)送的時(shí)機(jī),這個(gè)時(shí)間間隔根據(jù)實(shí)際情況可以動(dòng)態(tài)選擇。在局域網(wǎng)通信狀況比較好時(shí),可選為100 ms;在廣域網(wǎng)或通信狀況一般時(shí),該時(shí)間間隔可以適當(dāng)加大,并且根據(jù)收到確認(rèn)報(bào)文狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。但如果長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有收到確認(rèn)報(bào)文,默認(rèn)值為發(fā)送255次,被視為網(wǎng)絡(luò)不通,將終止網(wǎng)絡(luò)通信。而存儲(chǔ)接收數(shù)據(jù)包的標(biāo)識(shí)和序列號(hào)是用來(lái)對(duì)分包的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組,相同標(biāo)識(shí)而不同序列號(hào)的數(shù)據(jù)包視為同一數(shù)據(jù)信息的不同部分。為了高效地對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行重組,我們采用了具有排序能力鏈表進(jìn)行序列號(hào)存儲(chǔ),按照小于或等于鏈表開(kāi)頭的序列號(hào)視為已被接收。例如現(xiàn)在鏈表中保存有{5,7,8,9,11,12},說(shuō)明小于或等于序列號(hào)5和等于序列號(hào)7、8、9、11、12的數(shù)據(jù)包已經(jīng)被接收到了。為確保數(shù)據(jù)可靠傳輸,發(fā)送端增加了重發(fā)機(jī)制,接收端可能對(duì)同一數(shù)據(jù)包接收到幾次,如果這時(shí)接收到序列號(hào)為2的數(shù)據(jù)包,根據(jù)上述判斷機(jī)制,這個(gè)數(shù)據(jù)包將會(huì)被自動(dòng)丟掉,如果接收到序列號(hào)為6的數(shù)據(jù)包,將會(huì)保存此數(shù)據(jù)包,然后鏈表變?yōu)閧9,11,12},如果整個(gè)數(shù)據(jù)全部被接收完,鏈表中只保存此數(shù)據(jù)信息最大的序列號(hào)。

發(fā)送數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是指在發(fā)送數(shù)據(jù)信息時(shí),根據(jù)數(shù)據(jù)信息的大小自動(dòng)分包,并且每個(gè)數(shù)據(jù)包要加上面定義的協(xié)議報(bào)文頭,在發(fā)送此數(shù)據(jù)包的同時(shí)把其存儲(chǔ)到發(fā)送數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中。如果沒(méi)有收到此數(shù)據(jù)包的接收確認(rèn)報(bào)文,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)重發(fā)間隔調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中該數(shù)據(jù)包進(jìn)行重發(fā);如果收到此數(shù)據(jù)包接收確認(rèn)報(bào)文,系統(tǒng)會(huì)刪除發(fā)送數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中該數(shù)據(jù)包,自動(dòng)釋放內(nèi)存。

接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是指根據(jù)不同的數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí)建立相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù),然后按照接收數(shù)據(jù)包的序列號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存,同時(shí)對(duì)各個(gè)分?jǐn)?shù)據(jù)包進(jìn)行排序,這樣便于數(shù)據(jù)查找和整理,當(dāng)數(shù)據(jù)信息所有的分?jǐn)?shù)據(jù)包收到之后,系統(tǒng)會(huì)通過(guò)線程通知用戶的應(yīng)用層整個(gè)數(shù)據(jù)信息已經(jīng)接收完畢。

3.2.2 接收確認(rèn)報(bào)文

為了傳送報(bào)文的可靠性,接收端在接收到報(bào)文時(shí)要向發(fā)送端反饋接收確認(rèn)報(bào)文。接收確認(rèn)報(bào)文的格式就是上面定義的協(xié)議報(bào)文頭,與普通的協(xié)議報(bào)文頭相比有3點(diǎn)不同:數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為協(xié)議報(bào)文頭的長(zhǎng)度(25 byte),命令標(biāo)志的最高位置為1,信息總長(zhǎng)度為0。

3.2.3 重發(fā)回饋實(shí)現(xiàn)機(jī)制

重發(fā)回饋機(jī)制為數(shù)據(jù)的可靠性傳輸而設(shè)計(jì),我們從接收端來(lái)闡明該機(jī)制的實(shí)現(xiàn)。首先,接收端接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包,如果該數(shù)據(jù)包從來(lái)沒(méi)有接收到,該數(shù)據(jù)包將被存儲(chǔ)到接收數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中,同時(shí)向發(fā)送端發(fā)送接收確認(rèn)報(bào)文。如果該數(shù)據(jù)包已經(jīng)接收到了,說(shuō)明發(fā)送端沒(méi)有接收到確認(rèn)報(bào)文,此時(shí),接收端重新發(fā)送此數(shù)據(jù)包的接收確認(rèn)報(bào)文,并且丟棄此報(bào)文,同時(shí)等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包。

發(fā)送端接收到相應(yīng)數(shù)據(jù)包的接收確認(rèn)報(bào)文,將從發(fā)送數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中刪除該數(shù)據(jù)包,直到從發(fā)送數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)刪除所有數(shù)據(jù)包,表明數(shù)據(jù)信息可靠傳輸完畢。

3.3 多線程處理機(jī)制

為了提高數(shù)據(jù)處理和傳送的效率,我們采用了多線程機(jī)制,分為3種類(lèi)型,即發(fā)送服務(wù)線程、接收服務(wù)線程和數(shù)據(jù)處理線程。

圖3 多線程處理示意圖Fig.3 The multi-threading implementation

發(fā)送服務(wù)線程負(fù)責(zé)對(duì)要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息根據(jù)大小進(jìn)行自動(dòng)分包,對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)包加上長(zhǎng)度為25 byte協(xié)議報(bào)文頭,填寫(xiě)協(xié)議報(bào)文頭內(nèi)容,并將其發(fā)送給接收方,同時(shí)把此數(shù)據(jù)包保存到發(fā)送數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中。

接收服務(wù)線程負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)包、發(fā)送接收確認(rèn)報(bào)文、大數(shù)據(jù)信息報(bào)文的排序重組,當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包時(shí),接收服務(wù)線程判斷是否為普通數(shù)據(jù)包或分包數(shù)據(jù)包,如果為普通數(shù)據(jù)包,直接交給數(shù)據(jù)處理線程進(jìn)行處理,但如果是分包數(shù)據(jù)包,將存儲(chǔ)到接收數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行管理,直到所有分包數(shù)據(jù)接收完畢再交給數(shù)據(jù)處理線程進(jìn)行處理。每一周期(默認(rèn)100 ms),接收服務(wù)線程還負(fù)責(zé)檢查發(fā)送數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)是否有需要重新發(fā)送的數(shù)據(jù)包,如果有還要對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行重新發(fā)送。

數(shù)據(jù)處理線程負(fù)責(zé)對(duì)接收服務(wù)線程提供的數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,首先去掉數(shù)據(jù)包的協(xié)議報(bào)文頭,如果是普通數(shù)據(jù)包,數(shù)據(jù)處理線程將數(shù)據(jù)信息直接交給用戶應(yīng)用層;如果是分包數(shù)據(jù)包,將按照數(shù)據(jù)協(xié)議頭的序列號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝組合,組合完畢后,數(shù)據(jù)處理線程將數(shù)據(jù)信息交給用戶應(yīng)用層。

4 性能分析

在CPU為 1.0 GHz、內(nèi)存為 2G、網(wǎng)卡為100 Mbit/s的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上,分別用 AUDP、TCP和UDP方法,通過(guò)網(wǎng)線直接連接進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信測(cè)試。為了能夠準(zhǔn)確地記錄傳輸數(shù)據(jù)包所用的時(shí)間,盡量減少Windows多任務(wù)系統(tǒng)本身和系統(tǒng)時(shí)鐘記錄引起的誤差,我們把100 Mbit/s的網(wǎng)卡設(shè)置為10 Mbit/s全雙工模式,增加傳輸時(shí)間,擴(kuò)大誤差量級(jí);同時(shí)設(shè)置接收端計(jì)算機(jī)接收到數(shù)據(jù)要返回到發(fā)送端,這樣使數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)刻和接收的時(shí)刻由同一臺(tái)計(jì)算機(jī)記錄,從而避免不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘記錄引起的誤差,并且同一數(shù)據(jù)包傳輸100次后取平均值。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 AUDP、TCP和UDP傳輸不同數(shù)據(jù)包所用時(shí)間Table 2 Time of interchange via AUDP,TCP and UDP

從測(cè)試結(jié)果可以看出,在每次傳輸幾萬(wàn)字節(jié)時(shí),AUDP的效率要比TCP高20%左右,而與UDP相比幾乎差不多;而在3Mbyte以上時(shí),TCP的效率要高。

5 總 結(jié)

通過(guò)比較可以看到AUDP、TCP和UDP方法之間的差別,并分析出它們各自的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。另外,在采用AUDP與TCP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不存在粘包現(xiàn)象,減少了程序應(yīng)用層處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜性。

在戰(zhàn)術(shù)模擬器中,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大量是動(dòng)態(tài)目標(biāo)信息和指令數(shù)據(jù),大多是幾百字節(jié),即使仿真目標(biāo)增加到幾百批,字節(jié)數(shù)也不會(huì)超過(guò)1Mbyte,并且還可以采用分批發(fā)送數(shù)據(jù)包,但系統(tǒng)要求的實(shí)時(shí)性和可靠性很高,采用AUDP協(xié)議模型,可以很好地滿足要求。

本文只研究了基于UDP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的可靠性數(shù)據(jù)傳輸,基于UDP獨(dú)有的組播和廣播模式的可靠性傳輸和性能分析是下一步研究的工作。

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