李艷紅

(中南民族大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院，武漢430074)

在很多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序中，需要使用UDP來傳送消息和數(shù)據(jù)，UDP傳輸是不可靠的，數(shù)據(jù)報可能會在傳送途中被丟棄.但是它也有很多優(yōu)點，比如無連接、效率高、系統(tǒng)資源開銷小、適用于防火墻穿透等，在互聯(lián)網(wǎng)實時通訊以及本機進(jìn)程間通訊中得以廣泛使用.設(shè)計UDP網(wǎng)絡(luò)通訊程序，需要解決丟包、重發(fā)、異步、并發(fā)等問題.TCP和UDP在網(wǎng)絡(luò)通訊中都必不可少，他們有不同的特點，有各自的適用范圍，均不可互相替代.UDP能夠在不建立連接的情況下收發(fā)數(shù)據(jù)，也就是說在防火墻允許的情況下，可以發(fā)送數(shù)據(jù)到任何地址，也可以接收任何地址發(fā)來的數(shù)據(jù).很多場合非常需要這種數(shù)據(jù)收發(fā)的方式.但是正是因為這個特點，丟包的現(xiàn)象也是不可避免的.研究者們關(guān)注UDP傳輸?shù)目煽啃詥栴}，并提出了改進(jìn)的算法［1，2］，但是可靠性問題從原理上講不可能完全解決.

在音視頻數(shù)據(jù)傳送時，一定程度丟包率是允許的，不會對會話質(zhì)量造成很大的影響.但是傳送控制信息時，需要用重發(fā)的方法來解決丟包問題.重發(fā)涉及到重發(fā)的最大次數(shù)、每次重發(fā)的時間間隔，以及狀態(tài)機改變狀態(tài)后才收到的(遲來的)應(yīng)答包的處理方式等，這是異步操作必然要碰到的問題.一般的網(wǎng)絡(luò)程序，往往需要同時處理一些并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)通訊任務(wù)，比如A終端與B終端進(jìn)行視頻會話，同時A終端還可能發(fā)送文件給C終端.

1 智能定時器的特點

定時器在過程控制中廣泛使用，針對一些特定的應(yīng)用環(huán)境，研究者們提出了相應(yīng)的方案和研究成果［3-8］，本文重點研究智能定時器的軟件實現(xiàn).大多數(shù)情況下，程序中使用固定間隔值的定時器即可滿足定時的目的.VC、QT、JAVA等程序設(shè)計語言，無一例外實現(xiàn)了定時器類，提供了啟動、停止、設(shè)置定時間隔值等方法，一般有一次性定時和重復(fù)定時兩種定時模式.但是，這些定時器不能滿足復(fù)雜的定時需求.例如運用于退避算法，定時間隔需要變化、然后定時間隔再趨于穩(wěn)定的定時需求.而且，在不同場合間隔的變化方式也是不一樣的.為此，本文設(shè)計了一種稱之為智能定時器的C++類，來解決這個問題.

1.1 智能定時器類的設(shè)計

該定時器類的組成并不復(fù)雜，具體包括:一個數(shù)組、一個用于存放該數(shù)組元素個數(shù)的整數(shù)、一個時間戳、一個計數(shù)器、一個最大重試次數(shù)、判斷是否超時的函數(shù)，以及判斷是否重試的函數(shù).

數(shù)組用來存放定時的間隔(超時值)，也即每一次重試等待的時間.數(shù)組長度可長可短，由重試的頻度變化策略決定，比如發(fā)送一個UDP包后，如果沒收到應(yīng)答，則需要按 2s、4s、8s、16s、16s 這樣的間隔重發(fā)，那么該數(shù)組就是［0，2，4，8，16，16］.由于數(shù)組是由構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)傳入的，構(gòu)造函數(shù)得到的是該數(shù)組的地址，在函數(shù)中無法求得其元素個數(shù)，所以需要將元素個數(shù)也作為參數(shù)傳入構(gòu)造函數(shù).在構(gòu)造函數(shù)中，將數(shù)組地址及其元素個數(shù)保存到成員變量中.

時間戳用來存放上次重試(重發(fā))的系統(tǒng)時間.計數(shù)器用來統(tǒng)計重試的次數(shù).最大重試次數(shù)用來判斷是否超時，這里的超時表示重試結(jié)束.如果最大重試次數(shù)為0，則表示需要無限次重試.

如果計數(shù)器大于最大重試次數(shù)，并且最大重試次數(shù)大于0，則表示已經(jīng)超時.判斷是否需要重試的方法是，取出當(dāng)前計數(shù)器對應(yīng)數(shù)組元素的值，然后用當(dāng)前系統(tǒng)時間減去時間戳的值，如果差值大于等于數(shù)組元素值，則表示需要重試.此時，將當(dāng)前系統(tǒng)時間賦值給時間戳，作為下次判斷的依據(jù).

定時器類的設(shè)計具體如下:

1.2 智能定時器工作原理

上文所述的定時器是一個被動對象，也即沒有自己的線程，需要在定時器線程以及狀態(tài)機的配合下才能發(fā)揮作用.沒有設(shè)計自己的線程，是為了節(jié)省系統(tǒng)的開銷.因為一個稍微復(fù)雜的系統(tǒng)，可能需要多個定時器，如果每個定時器都有一個線程在運行，總體上會增加CPU空轉(zhuǎn)的時間.

狀態(tài)機一般是指有限狀態(tài)機，由一系列的狀態(tài)、事件、條件、動作組成.在某一時刻，狀態(tài)機只能處于某個狀態(tài)，稱為當(dāng)前狀態(tài).當(dāng)發(fā)生某個事件時，如果條件滿足，則狀態(tài)機的狀態(tài)將發(fā)生改變，這個改變稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)移.狀態(tài)轉(zhuǎn)移往往伴隨著一些動作(任務(wù))的執(zhí)行.

線程是利用CPU時間片輪轉(zhuǎn)來獲得執(zhí)行權(quán)的代碼片段.在多數(shù)線程的使用中，這個代碼片段會設(shè)計成循環(huán)體，只有在特殊條件下才退出循環(huán)來結(jié)束線程.每一次循環(huán)內(nèi)，調(diào)用狀態(tài)機處理函數(shù)，處理一次狀態(tài)機.如果系統(tǒng)需要多個狀態(tài)機，則每個狀態(tài)機都處理一次，調(diào)用完所有的處理函數(shù)后是短暫的休眠.休眠的時間與定時器的精度相關(guān)，比如精度為20ms則休眠20ms，也即預(yù)定1s的定時，那么實際的定時間隔為1000～1020ms.除非是實時系統(tǒng)需要精確到微秒，一般的應(yīng)用，精度為20～100ms就可以滿足要求.

狀態(tài)機處理函數(shù)因為要處理很多狀態(tài)，適合用switch…case構(gòu)建，該函數(shù)被調(diào)用時，執(zhí)行的代碼是狀態(tài)機當(dāng)前狀態(tài)的case，在此狀態(tài)中，如果有重傳，或者超時狀態(tài)轉(zhuǎn)移的需求，則可分別調(diào)用isNextStep()和isTimeOut()來判斷.當(dāng)isTimeOut返回true時，表示狀態(tài)機需要轉(zhuǎn)移到新的狀態(tài)，而isNextStep返回true時，表示在當(dāng)前狀態(tài)下需要重復(fù)執(zhí)行某些任務(wù).在isNextStep被調(diào)用時，計數(shù)器count和上次訪問last time才會被更新.這表明，增加智能定時器只是增加少量內(nèi)存的使用，不會增加系統(tǒng)的CPU資源消耗.

狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，除了超時的原因外，更多的是人機交互事件和外部系統(tǒng)事件觸發(fā)的，比如用戶點擊“上線”按鈕，或者是收到服務(wù)器的應(yīng)答信息.

2 智能定時器運用實例的具體實現(xiàn)

本文以音視頻會話終端軟件的登錄過程作為實例，來說明智能定時器的功能和運用方法.程序分終端程序和服務(wù)器端程序，均在Linux平臺開發(fā)和運行，采用C++語言編程.

2.1 登錄狀態(tài)機

終端登錄的過程用狀態(tài)機表示，如圖1所示.

圖1 終端登錄狀態(tài)機Fig.1 Terminal login state machine

該狀態(tài)機有“離線”、“請求登錄服務(wù)器地址”、“登錄請求”、“檢測防火墻”、“檢測 NAT”、“心跳”6個狀態(tài).除了離線狀態(tài)，其余狀態(tài)都使用了定時器.這些定時器中，只有在心跳狀態(tài)下終端才會以固定的時間間隔發(fā)送心跳包，其余狀態(tài)的終端都要按照一定的退避算法來重發(fā)數(shù)據(jù).按退避算法的方式來重發(fā)的原因是，如果服務(wù)器忙于處理其他任務(wù)，不能及時給終端返回應(yīng)答，終端應(yīng)當(dāng)適當(dāng)放慢重試的頻率;又由于終端向服務(wù)器發(fā)送的請求數(shù)據(jù)可能在網(wǎng)絡(luò)上丟失，那么終端也不能無限制等待，希望服務(wù)器最終會返回應(yīng)答.

2.2 定時間隔數(shù)組及定時器對象

根據(jù)登錄過程的狀態(tài)機，制定定時器策略.終端登錄過程共需要3種定時器:1)登錄請求定時器，分時復(fù)用于3個狀態(tài):獲取登錄服務(wù)器地址、登錄請求、檢測NAT;2)防火墻檢測定時器，用于檢測防火墻;3)心跳維持定時器，用于心跳包定時發(fā)送.如表1所示.

表1 定時策略表Tab.1 Timing strategy table

根據(jù)定時策略表，定義3個數(shù)組:

unsigned int tmLogin［5］={0，2000，4000，4000，8000};

unsigned int tmFwDetect［6］={0，500，1000，2000，4000，8000};

unsigned int tmHeartBeat［2］={0，16000};

然后，聲明智能定時器實例，構(gòu)造函數(shù)中傳入數(shù)組及其元素個數(shù):

startTimer stLogin(tmLogin，sizeof(tmLogin)/sizeof(tmLogin［0］));

startTimer stFwDetect (tmFwDetect，sizeof(tmFwDetect)/sizeof(tmFwDetect［0］));

startTimer stHeartBeat(tmHeartBeat，sizeof(tmHeartBeat)/sizeof(tmHeartBeat［0］));

2.3 登錄過程中所涉及的算法

登錄過程涉及到3個算法，分別是:定時器線程、登錄狀態(tài)機處理函數(shù)、服務(wù)器應(yīng)答處理.

(1)定時器線程算法.

Function TimerThread

pre-condition:sm is initialized to offline

1 While program not quitting do{

2 smLoginProcess();

3 sleep 100 ms;

4}

(2)登錄狀態(tài)機處理函數(shù)算法.

Function smLoginProcess

1switch(sm){

2 case offline:

3 break;

4 case login_server_req:

5 if(stLogin.isNextStep()){

6 send CMD_LB_LOGINSERVERREQ packet to load-balance server;

7 }

8 break;

9 case login_req:

10 if(stLogin.isTimeOut()){//如果超時則返回到login_server_req狀態(tài)

11 sm=login_server_req;

12 stLogin.reset(0);

13 break;

14 }

15 if(stLogin.isNextStep()){//否則如果時間間隔已滿則重發(fā)登錄請求到登錄服務(wù)器

16 send CMD_NAT_LOGINREQ packet to login server;

17 }

18 break;

19 case firewall_detecting:

20 如果stLogin超時(5次重試無應(yīng)答)則說明有防火墻，記錄防火墻特性，復(fù)位stFwDetect，設(shè)置狀態(tài)為 nat_detecting.否則如果時間間隔已滿則重發(fā)防火墻檢測請求.

21 break;

22 case nat_detecting:

23 如果stFwDetect超時則返回login_server_req狀態(tài).否則如果時間間隔已滿則重發(fā)NAT檢測請求.

24 break;

25 case heat_beating:

26 如果超時則返回login_server_req狀態(tài)，否則如果時間間隔已滿則重發(fā)心跳包.

27 break;

28 }

(3)服務(wù)器應(yīng)答處理算法片段.

Function onServerAck(char*pkt)

1 switch(cmd in pkt){//所有服務(wù)器返回的應(yīng)答包中均含有cmd(命令字)

2case CMD_LB_LOGINSERVERACK:

3 if(login_server_req){//該應(yīng)答包只有在login_server_req狀態(tài)下才有效

4 sm=login_req;//更新狀態(tài)機的當(dāng)前狀態(tài)為login_req

5 stLogin.reset(10);//重置定時器 stLogin，表示在login_req狀態(tài)最多重發(fā)10次.

6 get ip，port of login server from pkt;//取得應(yīng)答包中所含登錄服務(wù)器的地址

7 }

8 break;

9case CMD_NAT_LOGINACK:

10 …(略)

由于篇幅所限，不能完整描述這3個算法對所有狀態(tài)和所有服務(wù)器應(yīng)答包的處理情況，以下重點介紹終端由offline(離線)狀態(tài)和login_server_req(獲取登錄服務(wù)器地址)狀態(tài)相關(guān)的處理.

首先需要注意的是定時器線程算法TimerThread，該線程每隔100ms會執(zhí)行一次狀態(tài)機處理函數(shù)smLoginProcess.

終端程序初始化后，狀態(tài)機處于offline(離線).在offline狀態(tài)，smLoginProcess處理函數(shù)不做任何操作，立即返回(第3行代碼).只有人機交互才能改變offline的狀態(tài)，比如通過按鈕發(fā)出“上線”請求，相應(yīng)的代碼會將狀態(tài)機的狀態(tài)由offline轉(zhuǎn)移到login_server_req，并調(diào)用 stLogin.reset(0)復(fù)位定時器，也即在該狀態(tài)下將無限次地重試，直到從負(fù)載均衡服務(wù)器取到登錄服務(wù)器地址為止.

狀態(tài)機處理函數(shù)smLoginProcess對login_server_req狀態(tài)的處理見 4～8行.在此調(diào)用 stLogin.isNextStep來判斷是否該發(fā)送CMD_LB_LOGINSERVERREQ到負(fù)載均衡服務(wù)器.在smartTimer的isNextStep代碼中可以看到，如果當(dāng)前時間減去上次重試的時間大于當(dāng)前重試間隔值，會返回 true.在 login_server_req 狀態(tài)下，stLogin.isNextStep返回true時，程序?qū)?zhí)行第6行所示的動作，發(fā)送CMD_LB_LOGINSERVERREQ到負(fù)載均衡服務(wù)器.

如果一直沒有收到負(fù)載均衡服務(wù)器的應(yīng)答，則狀態(tài)機處理函數(shù)將永遠(yuǎn)執(zhí)行4～8行的代碼.負(fù)載均衡服務(wù)器的應(yīng)答在算法onServerAck的2～8行中處理，負(fù)載均衡服務(wù)器返回的應(yīng)答包中包含了登錄服務(wù)器的地址，這個應(yīng)答包只有在終端的狀態(tài)為login_server_req時才被處理，在其他狀態(tài)則被忽略.處理方法是:1)狀態(tài)機變?yōu)閘ogin_req;2)將定時器stLogin復(fù)位為10 次超時，這10 次的間隔值分別為0、2、4、4、8、8、8、8、8、8s;3)從應(yīng)答包中取出登錄服務(wù)器的地址.

狀態(tài)機處理函數(shù)smLoginProcess對login_req狀態(tài)的處理見9～18行.先調(diào)用stLogin.isTimeOut，如果超時則狀態(tài)回轉(zhuǎn)到login_server_req重新取登錄服務(wù)器地址.如果沒有超時，則調(diào)用stLogin.isNextStep判斷是否需要重試發(fā)送登錄請求.

以上3個算法組成的代碼框架，除了實現(xiàn)數(shù)據(jù)重發(fā)，也體現(xiàn)了并發(fā)、同步操作的理念.終端發(fā)出請求包，服務(wù)器返回應(yīng)答包是異步操作，不能設(shè)計成函數(shù)調(diào)用得到返回值的方式.smLoginProcess中發(fā)送請求，而在onServerAck中處理應(yīng)答，使用了異步處理的模式.終端完成登錄后進(jìn)入心跳狀態(tài)，在心跳狀態(tài)終端每16s向服務(wù)器發(fā)送一次心跳包.如果用戶發(fā)起音視頻會話，那么心跳包和會話信令包以及音視頻數(shù)據(jù)包就需要并發(fā)處理.

3 結(jié)語

本文介紹了一種能夠處理復(fù)雜狀態(tài)機和程序邏輯的智能定時器，該智能定時器以一個類的形式進(jìn)行封裝.智能定時器實例化時，從構(gòu)造函數(shù)傳入預(yù)設(shè)的定時數(shù)組，數(shù)組的元素個數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定，每個元素的值代表某個操作重復(fù)執(zhí)行的等待時間.該智能定時器屬于被動對象(沒有自己的線程)，因此需要在線程中去查詢是否重復(fù)執(zhí)行某操作，或者去查詢是否超時.本文所用的定時器線程和狀態(tài)機處理函數(shù)，是支撐智能定時器的線程、狀態(tài)機處理的典型代碼框架.千變?nèi)f化的狀態(tài)機模型，均可按照此框架來構(gòu)建程序.最后實現(xiàn)了將智能定時器應(yīng)用于實時通訊軟件系統(tǒng)的登錄過程，實驗結(jié)果表明所設(shè)計的智能定時器能精確控制UDP包的重發(fā).

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