網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)

朱新星

摘要：隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的廣泛運(yùn)用，作為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的重要協(xié)議之一 —— UDP傳輸協(xié)議，已經(jīng)廣泛的運(yùn)用到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，而且希望數(shù)據(jù)可以高效、準(zhǔn)確、迅速的完成傳輸。本文研究了運(yùn)輸層的UDP協(xié)議發(fā)送來的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議條件下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、發(fā)送的過程，主要包括建立連接，數(shù)據(jù)的接收和緩存，IP數(shù)據(jù)包頭的處理以及數(shù)據(jù)發(fā)送四個(gè)步驟，接著設(shè)計(jì)了以為基礎(chǔ)FPGA的功能實(shí)現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞：UDP 協(xié)議 FPGA

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）05-0000-00

傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/ Internet Protocol，TCP/IP）協(xié)議簇是Internet 和全球各地網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的引擎。本文針對(duì)網(wǎng)際層IP協(xié)議下的一項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)，主要是針對(duì)從UDP協(xié)議下的數(shù)據(jù)包處理的過程。UDP是一個(gè)簡(jiǎn)單的面向數(shù)據(jù)報(bào)的運(yùn)輸層協(xié)議：進(jìn)程的每個(gè)輸出操作都正好產(chǎn)生一個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)，并組裝成一份待發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報(bào)。

1數(shù)據(jù)報(bào)處理方案

1.1端口設(shè)計(jì)

端口應(yīng)該由外部端口和內(nèi)部端口組成。外部端口是控制硬件（以FPGA為例），主要包括時(shí)鐘輸入信號(hào)和復(fù)位輸入信號(hào)。內(nèi)部端口為運(yùn)輸層與網(wǎng)絡(luò)層相互聯(lián)系為原則設(shè)計(jì)的，不僅需要數(shù)據(jù)輸入輸出，也需要這兩個(gè)模塊間的相互控制。具體內(nèi)部端口主要包括數(shù)據(jù)輸入輸出信號(hào)及對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)同步信號(hào)，兩個(gè)準(zhǔn)備信號(hào)，兩個(gè)IP地址輸入信號(hào)和輸入同步信號(hào)的結(jié)束信號(hào)。信號(hào)描述如下：

時(shí)鐘信號(hào)（clk）、復(fù)位信號(hào)（res）、UDP準(zhǔn)備信號(hào)（udprd）、輸入數(shù)據(jù)信號(hào)（isd）：、輸入數(shù)據(jù)同步信號(hào)（iss）、輸入數(shù)據(jù)結(jié)束信號(hào)（ise）、源IP地址（sipa）：、目的IP地址（dipa）、IP準(zhǔn)備信號(hào)（iprd）、輸出數(shù)據(jù)信號(hào)（osd）、輸出數(shù)據(jù)同步信號(hào)（oss）。

具體端口設(shè)置如圖1：

1.2 功能模塊

1.2.1 建立連接模塊

運(yùn)輸層和網(wǎng)絡(luò)層之間有很多協(xié)議，不同協(xié)議對(duì)應(yīng)不同數(shù)據(jù)包，如何選擇合適通路選擇特定數(shù)據(jù)包，這就要求有特定的連接過程完成特定的數(shù)據(jù)傳輸。

為了建立UDP協(xié)議數(shù)據(jù)和IP數(shù)據(jù)之間的相互通信，在方案中，選擇增添一個(gè)建立連接模塊，目的是完成兩個(gè)功能。首先是完成UDP協(xié)議下的數(shù)據(jù)在特定通道內(nèi)向網(wǎng)絡(luò)層的傳輸，其次是產(chǎn)生控制信號(hào)，控制下一模塊工作狀態(tài)。在此過程中，主要涉及到兩個(gè)信號(hào)，其一是udprd信號(hào)，是建立連接第一步，這個(gè)信號(hào)旨在反映UDP數(shù)據(jù)報(bào)已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送；其二是iprd信號(hào)，建立連接第二步，本信號(hào)是為了給運(yùn)輸層的UDP協(xié)議的反饋信號(hào)，如果接到收此信號(hào)，UDP數(shù)據(jù)報(bào)就開始發(fā)送了。本信號(hào)還有一個(gè)功能：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層對(duì)數(shù)據(jù)處理時(shí)，此信號(hào)會(huì)自動(dòng)變低電平，將不會(huì)接收UDP數(shù)據(jù)報(bào)，直到在網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)處理完畢。

1.2.2 數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)模塊

在此模塊下，可分為數(shù)據(jù)接收部分和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)部分。

首先介紹一下數(shù)據(jù)的接收部分，當(dāng)大量的數(shù)據(jù)報(bào)準(zhǔn)備進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)層時(shí)，有些數(shù)據(jù)是沒有意義的，所以要準(zhǔn)確有效的接收來自UDP協(xié)議下的數(shù)據(jù)報(bào)，需要在這一部分完成此功能。在端口的設(shè)置，增加了同步接收信號(hào)和終止信號(hào)，當(dāng)同步信號(hào)有效，數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，當(dāng)終止信號(hào)有效，則一個(gè)完整的UDP數(shù)據(jù)包就發(fā)送完成了。

當(dāng)大量的UDP數(shù)據(jù)包進(jìn)入到IP協(xié)議下準(zhǔn)備處理，而處理速度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于接收的速度，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的滯留，甚至數(shù)據(jù)會(huì)丟失。為了解決該問題，增加了一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來，彌補(bǔ)了處理速度和接收速度的不匹配。

此模塊還額外的完成了一個(gè)功能：計(jì)數(shù)功能。在加I P數(shù)據(jù)頭需要每一包UDP數(shù)據(jù)包字節(jié)的長(zhǎng)度信息進(jìn)行存儲(chǔ)。

1.2.3 IP數(shù)據(jù)包頭處理及發(fā)送模塊

每一份的IP數(shù)據(jù)包都是有IP數(shù)據(jù)包頭和對(duì)應(yīng)的UDP數(shù)據(jù)包組合成的。需要將其對(duì)應(yīng)封裝。

當(dāng)IP數(shù)據(jù)包頭處理完成了，緊接任務(wù)就是將其發(fā)送出去。在發(fā)送完IP數(shù)據(jù)包頭緊跟要發(fā)送其對(duì)應(yīng)的UDP數(shù)據(jù)包，這就是一個(gè)完整的IP數(shù)據(jù)包。如果輸出同步信號(hào)有效，這些處理好的數(shù)據(jù)將發(fā)送到數(shù)據(jù)鏈路層供其使用。

2方案綜述

（1）運(yùn)輸層和網(wǎng)絡(luò)層之間建立連接，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤差的傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層，產(chǎn)生控制信號(hào)，控制數(shù)據(jù)的接收；產(chǎn)生反饋信號(hào)，保證運(yùn)輸層的UDP數(shù)據(jù)包適時(shí)的傳送過來。（2）讀取UDP數(shù)據(jù)包并準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)，將已讀的數(shù)據(jù)存入緩存中，產(chǎn)生信號(hào)，控制IP頭處理模塊的啟動(dòng)，然后將必要數(shù)據(jù)傳遞到IP頭處理模塊。（3）處理數(shù)據(jù)，將對(duì)應(yīng)的一包UDP數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應(yīng)的IP數(shù)據(jù)包頭，形成一個(gè)IP數(shù)據(jù)包。然后將包頭發(fā)送，產(chǎn)生輸出的同步信號(hào)，之后產(chǎn)生信號(hào)讀取緩存中的數(shù)據(jù)，通過輸出端口將其發(fā)送出去。

這就是一個(gè)UDP數(shù)據(jù)包的處理過程，不斷反復(fù)以上步驟，UDP數(shù)據(jù)段就轉(zhuǎn)變成了IP數(shù)據(jù)段。

本方案增加了同步數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)，這就可以自由的控制輸入輸出數(shù)據(jù)，不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的意外丟失。而這些信號(hào)還可以支持?jǐn)?shù)據(jù)間斷輸入，給運(yùn)輸層數(shù)據(jù)傳輸很大的靈活性；還增加了udp和iprd信號(hào)，它們完成這兩個(gè)層連接，給數(shù)據(jù)傳輸提供良好的初始條件。

參考文獻(xiàn)

[1]TCP-IP詳解（中文）.pdf.

[2]張帆.《基于FPGA的IP協(xié)議處理器》.湖南大學(xué)碩士論文.

[3]雷釗等.《基于FPGA的TCP-IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)》.電腦編程技巧與維護(hù)，2009（5）.