可靠的用户数据报协议 – RUDP

可靠的UDP协议（RUDP）是一种基于UDP构建的协议，它增加了诸如确认、重传以及有序传输等可靠性功能——同时仍然保持了UDP的低延迟特性。在通过互联网传输数据时，我们常常需要在速度和可靠性之间做出权衡。

• UDP（用户数据报协议）虽然传输速度快，但可靠性较低。
• TCP（传输控制协议）虽然具有可靠性，但由于其连接建立以及确认机制的原因，传输速度相对较慢。

注意：可以将其视为“UDP + 可靠性层”的结合体。这种方案非常适合那些需要高速、实时传输的应用场景，比如游戏、流媒体和VoIP等。这些应用场景无法承受TCP连接带来的额外开销，但仍然需要可靠的传输体验。

为什么仅仅依靠UDP是不够的

UDP通过直接将数据包从发送方发送到接收方来实现数据传输，整个过程不需要任何握手或确认步骤。也就是说：

• 数据包可能会丢失、被重复发送，或者顺序混乱地到达。
• 接收方没有做出任何回应或确认。
• 发送方无法确定数据是否已经送达。

注意：RUDP通过在其基础上引入一个可靠性层来解决这些问题——这是一种非常有效的解决方案。

RUDP架构——其运作方式

RUDP位于应用层，其实现方式基于UDP。发送方和接收方都维护着数据包的传输窗口——即一个固定大小的范围，该范围决定了一次可以发送或接收多少数据包。其工作流程如下：

1. 发送者将消息拆分成更小的片段。
2. 每个段都被分配了一个序列号以及校验和，这些校验和用于验证数据的完整性。
3. 数据包通过UDP协议，经由RUDP协议进行传输。
4. 接收方会检查是否存在错误，并确认数据包的顺序。之后，接收方会发送确认信号，同时将所有数据包缓存在缓冲区中，直到所有数据包都被正确接收为止。
5. 如果在一定时间内没有收到ACK响应，那么发送方会重新发送该数据包。

注意：这个系统确保了可靠性——同时，它不需要像TCP那样进行复杂的连接建立过程。

RUDP的主要组成部分

线程安全缓冲区

发送方和接收方都使用由信号量保护的同步共享缓冲区，从而防止多个线程同时访问数据。这样可以避免死锁和数据损坏的情况发生。

2. 窗口管理

有两个重要的计数器负责管理这种流程的运作：

• 基础/起点最早未被确认的数据包的序列号。
• 接下来接下来要发送的数据包的序列号。

注意：这样就能有效地追踪哪些数据包处于传输过程中，哪些已经得到确认。

3. 超时与重传机制

• 每个发送的数据包都会启动一个计时器。
• 如果确认消息在计时器到期之前没有到达，那么发送方会自动重新发送该数据包。
• 这确保了没有任何数据会被永久丢失。

4. 网络仿真与排队模型

• RUDP可以在测试过程中模拟网络延迟、数据包丢失以及数据包乱序等情况。
• 每个数据包都会附带一个时间戳（current_time + delay），以此来模拟现实世界中的情况。

滑动窗口协议——RUDP可靠性的核心机制

Sliding Window Protocol（SWP）是RUDP的核心技术。它确保了以下几点：

• 数据包以可控且连续的方式被发送出去。
• 在数据包被接收时，确认机制会将“窗口”向前推进。
• 重复的数据包以及顺序混乱的数据包会被丢弃或重新排序。

类型：

1. 单比特滑动窗口协议——最简单的一种协议，传输过程中只使用一个数据包。
2. Go-Back-N协议：在数据包丢失后，重新传输所有丢失的数据包。
3. 选择性重传协议——仅重新传输丢失的数据包（效率最高，适用于RUDP协议）。

背靠技术/背负技巧

• 与发送单独的确认数据包不同，RUDP采用“piggybacking”方式，即把确认信息附加在正在传输的数据包上。
• 这样可以降低网络开销，并提高性能，尤其是在双向通信中。

窗口更新的数学视角

• 每次一个数据包被确认后，窗口的上边界就会向前移动。
• 当所有未处理的数据包都被确认后，发送方就知道所有的数据都已经收到了。此时，连接可以安全地关闭了。
• 这种以数学为基础的管理方式，有助于RUDP在速度与可靠性之间取得平衡——通过窗口机制来优化速度，同时通过确认机制来确保系统的可靠性。

RUDP中的内部类

RUDP工作流程

客户端侧

1. 数据被划分为多个段或部分。
2. 每个段都会得到一个帧，该帧包含序列号以及校验和。
3. 通过 Support_RUDP.send_udp() 发送。
4. 每个时间段都会启动计时器。
5. 如果收到了ACK信号，则视为已成功传输。
6. 如果超时发生，则重新发送数据包。

服务器端

1. 负责监听传入的数据包。
2. 验证校验和以及序列号的有效性。
3. 为每一个有效的数据包发送确认信号。
4. 可以重新排序那些顺序混乱的数据包。
5. 在所有数据都被接收后，最终的数据会被传递给应用程序。

RUDP类的伪代码

类 RUDP{
//设置窗口的大小
设置接收窗口的大小
设置发送窗口的大小
启动一个接收线程，该线程负责接收来自发送方和接收方的确认消息以及相关数据。
//发送方调用
send_data(byte[] data_gram, int size)
{
//处理流程：首先获取数据，然后将其分割成多个片段，接着将这些片段存储到发送方缓冲区中。最后，发送数据，并启动计时器。
//将内容分割成多个部分，并随帧一起发送出去。
将其分割成若干部分。
将所有片段都放入发送方的缓冲区中。
使用 support_RUDP 类中的 sent_udp() 方法发送数据段。
针对被分割成多个段的数据的超时调度机制
}
//接收者进行调用
接收数据(byte[] buffer, int size)
{
//接收数据分组的各个部分
每次只接收一个段，其中包括那些帧。
}
//发送方和接收方都可以调用它。
关闭函数
{
//创建用于指示的标记
创建一个用于指示数据传输状态的标志字段。
//数据验证
//如果数据接收已经完成，则关闭连接。
一旦接收到完整的数据后，就关闭该段内容吧。
}
}
//RUDP类在此处结束