基于ARUDP的指揮控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議*

陳　波，陶　威，王運(yùn)明，2

（1.大連大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧　大連　116622；2.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京　210094）

基于ARUDP的指揮控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議*

陳波1，陶威1，王運(yùn)明1，2

（1.大連大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧大連116622；2.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京210094）

摘要：針對(duì)目前指揮控制網(wǎng)絡(luò)采用UDP協(xié)議進(jìn)行大數(shù)據(jù)傳輸時(shí)存在長(zhǎng)時(shí)延及高丟包率的問(wèn)題，提出了一種基于UDP改進(jìn)的ARUDP（Augmented Reliable UDP）協(xié)議。該協(xié)議針對(duì)UDP傳輸過(guò)程中存在的亂序到達(dá)問(wèn)題，提出了基于亂序重構(gòu)的管理機(jī)制，降低了丟包率；在接收端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)單向隊(duì)列時(shí)延檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并利用改進(jìn)的A-AIAD控制方法自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送速率，減小了隊(duì)列排隊(duì)時(shí)延，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。仿真實(shí)驗(yàn)表明，ARUDP協(xié)議發(fā)送速率平滑，在保持UDP高效的前提下，提高了傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，降低了網(wǎng)絡(luò)的丟包率，提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

關(guān)鍵詞：指揮控制網(wǎng)絡(luò)，ARUDP，擁塞控制，亂序重構(gòu)

0　引言

隨著信息化的高速發(fā)展，指揮控制網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的重要組成部分，在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位日益突出。然而，在有限的網(wǎng)絡(luò)資源中，各種并存的通信信道都面臨越來(lái)越多的信息可靠交互的需求，大量指揮控制與態(tài)勢(shì)感知等信息交互對(duì)現(xiàn)有戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)提出更高的要求，即要求更高的傳輸速率、支持可靠傳輸業(yè)務(wù)等。傳統(tǒng)的TCP［1］協(xié)議網(wǎng)絡(luò)擁塞以丟包為中心，可以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，但是在指揮控制網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，指揮控制網(wǎng)絡(luò)多對(duì)一傳輸?shù)氖諗刻匦院蛶捹Y源的限制極易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，從而導(dǎo)致較高的分組丟失和較大的隊(duì)列時(shí)延，影響指揮網(wǎng)本身的通信流暢程度。

目前實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)膮f(xié)議主要有UDT協(xié)議、RUDP協(xié)議或者RTP。UDT協(xié)議采用基于時(shí)間的選擇性確認(rèn)機(jī)制，即接收端每接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包就向發(fā)送端發(fā)送ACK包，雖然提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，但是大量的確認(rèn)和處理確認(rèn)的時(shí)間，降低了傳輸效率。RUDP協(xié)議可靠傳輸?shù)目刂茩C(jī)制使用了類似于TCP的確認(rèn)重傳機(jī)制，過(guò)多的確認(rèn)信息和響應(yīng)時(shí)間不僅占用過(guò)多的帶寬而且增加了延時(shí)，不適于大數(shù)據(jù)的快速傳輸。RTP協(xié)議的可靠傳送機(jī)制建立在按順序傳送數(shù)據(jù)包，并提供流量控制和擁塞控制，但是接收端的ACK包是采用TCP協(xié)議來(lái)傳輸，不利于在廣播中使用［2-5］。

文獻(xiàn)［6］提出了一種面向非連接的PUDP協(xié)議，將數(shù)據(jù)包傳輸控制機(jī)制糅合到流量控制當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了報(bào)文被動(dòng)式傳輸，減輕了服務(wù)器端的工作負(fù)擔(dān)。但是簡(jiǎn)化的連接過(guò)程是面向非連接的，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不穩(wěn)定的情況下，這種連接很有可能會(huì)進(jìn)行多次，并不能很好地保證數(shù)據(jù)的可靠性，并且又額外地占用網(wǎng)絡(luò)資源。

文獻(xiàn)［7］提出了具有補(bǔ)發(fā)機(jī)制的ERUDP協(xié)議。發(fā)送端維護(hù)一個(gè)發(fā)送指針和一個(gè)重發(fā)指針，發(fā)送指針不斷地向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)包并且不需要接收端的確認(rèn)，重發(fā)指針在接收到來(lái)自接收端的重傳請(qǐng)求后尋找重傳數(shù)據(jù)包并完成重新發(fā)送［7］，不僅減少了確認(rèn)消息占用的網(wǎng)絡(luò)資源，而且提高了傳輸?shù)男省５侨匀淮嬖谶@些不足之處：UDP采用非面向連接的傳輸策略，不保證數(shù)據(jù)按序到達(dá)，接收端根據(jù)接收到的包號(hào)大于需要的數(shù)據(jù)包號(hào)來(lái)決定補(bǔ)發(fā)，沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)包產(chǎn)生亂序到達(dá)的情況，是不合理的。

針對(duì)指揮控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和參考已有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新型可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議ARUDP。該協(xié)議通過(guò)增加用于可靠傳輸?shù)膮f(xié)議頭，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)單向隊(duì)列時(shí)延檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，采用改進(jìn)的A-AIAD動(dòng)態(tài)平滑地調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送速率，提高了傳輸效率，在保持UDP高效的前提下，提高了傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，降低了網(wǎng)絡(luò)的丟包率，提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率，使之能滿足指揮控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。

1　ARUDP協(xié)議設(shè)計(jì)

1.1ARUDP報(bào)文結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的ARUDP協(xié)議是在UDP協(xié)議的基礎(chǔ)上填充一些字段與UDP頭一起構(gòu)成ARUDP的頭部，如圖1所示。

圖1　ARUDP報(bào)文頭結(jié)構(gòu)

MsgType（消息類型）：用于區(qū)分各種數(shù)據(jù)包的消息類型，占2 bit。例如：請(qǐng)求消息、發(fā)送消息、反饋消息等；

NetState（網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)）：接收端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)單向隊(duì)列時(shí)延獲取到網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，用于接收端發(fā)送反饋消息數(shù)據(jù)包時(shí)使用，占2 bit；

TimStamp（時(shí)間戳）：記錄數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間，占用2 bit；

Degree（發(fā)送級(jí)別）：用于確定當(dāng)前包的發(fā)送級(jí)別，控制發(fā)送速率，占2 bit；

Len（包總長(zhǎng)度）：用于表示自定義消息頭格式及數(shù)據(jù)包的總長(zhǎng)度，占2 bit；

DataSequence（數(shù)據(jù)包序號(hào)）：標(biāo)識(shí)符，用于標(biāo)示發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)包的序號(hào)，占用4 bit。

1.2數(shù)據(jù)連接的建立過(guò)程

ARUDP在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)采用了類似TCP協(xié)議的3次握手機(jī)制，既保證了數(shù)據(jù)的可達(dá)，又檢測(cè)了網(wǎng)絡(luò)故障。該過(guò)程是一個(gè)握手而無(wú)連接的建立，保證了低開銷。

數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求：接收端向發(fā)送端發(fā)送傳輸請(qǐng)求；數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)答：將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小等信息通知給接收端；數(shù)據(jù)傳輸確認(rèn)：接收端收到數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)答后，確認(rèn)是否接受連接，拒絕連接則結(jié)束此次請(qǐng)求，確認(rèn)連接則開始數(shù)據(jù)傳輸。

3次握手采用超時(shí)重傳、超次放棄的方法，必須保證這3次握手的成功才可以開始數(shù)據(jù)的傳輸［7］。

1.3亂序重構(gòu)管理機(jī)制

針對(duì)文獻(xiàn)［7］報(bào)文亂序到達(dá)的情況，本文提出了亂序重構(gòu)的管理機(jī)制。亂序重構(gòu)管理機(jī)制是建立在接收端緩沖區(qū)上的一種序列重排機(jī)制。發(fā)送端發(fā)送的每一組數(shù)據(jù)包都有一個(gè)序號(hào)，通過(guò)序號(hào)可以知道這組數(shù)據(jù)在傳輸數(shù)據(jù)中的位置。在接收端建立一個(gè)接收緩沖區(qū)和一個(gè)補(bǔ)發(fā)隊(duì)列，當(dāng)接收端接收的下一個(gè)數(shù)據(jù)包不為期望數(shù)據(jù)包時(shí)，則將接收的序列消息存入緩沖區(qū)，并從緩沖區(qū)查找之前存入的數(shù)據(jù)包。如果未找到，則認(rèn)為期望數(shù)據(jù)包丟失并寫入補(bǔ)發(fā)隊(duì)列，進(jìn)行補(bǔ)發(fā)請(qǐng)求。在將接收的序列消息存入緩沖區(qū)之前找到正確的序列存放的位置，并直接寫入到對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)亂序的數(shù)據(jù)包序列進(jìn)行重構(gòu)。如下頁(yè)圖2所示。

圖2　亂序重構(gòu)原理圖

接收端緩沖區(qū)大小的設(shè)定也會(huì)影響到ARUDP的效率。如果緩沖區(qū)太大，在極端的情況下，接收端一直要查找到緩沖區(qū)的末尾才會(huì)丟棄第1個(gè)數(shù)據(jù)包，開始處理第2個(gè)數(shù)據(jù)包，從而造成較大的延遲；如果緩沖區(qū)太小，極端的情況下，緩沖區(qū)為零，此時(shí)將失序作為丟包處理，必然導(dǎo)致較高的包丟失率。因此，經(jīng)實(shí)驗(yàn)本文將緩沖區(qū)的大小設(shè)為10個(gè)包。如果在緩沖區(qū)滿之前仍等不到期望的數(shù)據(jù)包，則認(rèn)為該包丟失了，并將丟失的包放入補(bǔ)發(fā)隊(duì)列，然后向發(fā)送端發(fā)送ACK包。發(fā)送端依據(jù)接收端的ACK包對(duì)補(bǔ)發(fā)隊(duì)列進(jìn)行更新，并且在每次發(fā)送待發(fā)送隊(duì)列前都檢查補(bǔ)發(fā)隊(duì)列是否更新，優(yōu)先發(fā)送丟失的數(shù)據(jù)包。

2　擁塞控制策略

傳統(tǒng)的擁塞控制策略是基于AIMD的擁塞控制算法，這種算法表現(xiàn)為較大的振蕩性，不利于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。本文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)單向隊(duì)列時(shí)延檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并采用了自適應(yīng)參數(shù)設(shè)置的A-AIAD速率控制方式，動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，不但減少了擁塞級(jí)別的判斷時(shí)間間隔，而且縮短了ARUDP的速率調(diào)整間隔。

2.1網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測(cè)

設(shè)連續(xù)數(shù)據(jù)包n與n-1間的發(fā)送時(shí)間間隔和到達(dá)接收方的時(shí)間間隔分別為STn和RTn，則連續(xù)數(shù)據(jù)包的相對(duì)單向隊(duì)列時(shí)延Dqn為：

相對(duì)單向隊(duì)列時(shí)延變化率ΔDqn為：

計(jì)算第n個(gè)包的相對(duì)單向隊(duì)列時(shí)延變化率與第n-1個(gè)包的相對(duì)單向隊(duì)列時(shí)延變化率的比值DRn為：

顯然，Dqn在圍繞1上下浮動(dòng)。當(dāng)DRn＜1時(shí)，表示當(dāng)前接收到的包的相對(duì)單向時(shí)延相比前一個(gè)包的較?。划?dāng)DRn＞1時(shí)，表示當(dāng)前接收到的包的相對(duì)單向時(shí)延相比前一個(gè)包的較大。

初始化計(jì)數(shù)器D為0。當(dāng)DRn＞1時(shí)，使D增加1；當(dāng)DRn＜1時(shí)，使D減少1。數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)的延遲程度由計(jì)數(shù)器D的大小直接反映，同時(shí)D的大小也間接反映了網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，D越大，延遲越大。本文將D的取值范圍劃分為3個(gè)等級(jí)，如表1所示。

表1　擁塞級(jí)別的劃分

表中，dload為低負(fù)載狀態(tài)的上限值，uload為輕度擁塞狀態(tài)的下限值。本文取dload為-20，uload為+20。它們的取值影響擁塞狀態(tài)的判斷。

2.2速度調(diào)整

α和β的隨網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)自適應(yīng)取值并調(diào)節(jié)發(fā)送速率，提高了發(fā)送速率的穩(wěn)定性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生輕度擁塞時(shí)，為了平滑的減少發(fā)送速率，β的變化范圍一般為5%～15%；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)欠載比較嚴(yán)重時(shí)，為了更加快速地利用網(wǎng)絡(luò)資源，α的變化范圍一般為10%～20%。

3　協(xié)議評(píng)價(jià)與分析

本文采用了如圖3所示經(jīng)典的單瓶頸鏈路實(shí)驗(yàn)方案。兩端與中間路由器的帶寬為100 Mb/s，路由器R1與R2之間的帶寬為10 Mb/s。顯然，所有數(shù)據(jù)流共同競(jìng)爭(zhēng)一條瓶頸鏈路，容易造成擁塞產(chǎn)生丟包和延時(shí)。

圖3　仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

目前常用的擁塞控制算法是基于丟包率或往返時(shí)延來(lái)觸發(fā)擁塞的檢測(cè)［8-13］。故在仿真實(shí)驗(yàn)中用它們和本文的擁塞控制算法進(jìn)行性能比較。S1向D1發(fā)送3種具有擁塞控制機(jī)制的UDP數(shù)據(jù)流，分別為基于丟包率、基于往返時(shí)延和基于相對(duì)單向隊(duì)列時(shí)延擁塞控制的UDP數(shù)據(jù)流，持續(xù)時(shí)間為60 s。設(shè)置發(fā)送端的初始發(fā)送速率均為150 KB/s，變化區(qū)間為［50 KB/s，250 KB/s］。S2向D2發(fā)送采用CBR數(shù)據(jù)源的UDP數(shù)據(jù)報(bào)，在0 s～10 s的發(fā)送速率為8 MB/s，10 s～50 s速率從8 MB/s逐漸增加到12 MB/s，50 s～60 s速率從12 MB/s逐漸降低到8 MB/s，形成網(wǎng)絡(luò)從空閑到擁塞再到空閑的干擾背景。

圖4　不同擁塞控制算法下接收端的吞吐量變化

圖4的測(cè)量結(jié)果可以看出，在網(wǎng)絡(luò)空閑狀態(tài)，ARUDP能夠充分地利用網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)即將發(fā)生擁塞時(shí)，ARUDP根據(jù)相對(duì)單向隊(duì)列時(shí)延檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)擁塞，能更好地判斷網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況，此外采用A-AIAD自適應(yīng)的速率控制方式進(jìn)行速率調(diào)整，使得速率的變化較平緩，具有更公平地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬和更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)勢(shì)。然而基于丟包率的擁塞控制在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞后10 s左右才采取措施，無(wú)法做到擁塞的早期檢測(cè)?；谕禃r(shí)延的擁塞控制通過(guò)發(fā)送端向接收端定時(shí)發(fā)送探測(cè)包來(lái)估算往返時(shí)延，理論上做到了擁塞的早期檢測(cè)，但是在具有大量指揮控制與態(tài)勢(shì)感知等信息交互的復(fù)雜指揮控制網(wǎng)絡(luò)中，往返時(shí)延是很難計(jì)算準(zhǔn)確的，其表現(xiàn)出的不穩(wěn)定性將導(dǎo)致每個(gè)時(shí)段的發(fā)送速率方差較大，從而造成吞吐量的抖動(dòng)。

圖5　不同擁塞控制算法下UDP流的丟包率

在圖5的測(cè)量結(jié)果中顯示，在瓶頸鏈路出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)砣麜r(shí)，由于基于丟包率和基于往返時(shí)延的擁塞控制數(shù)算法擁塞檢測(cè)不及時(shí)，算法出現(xiàn)接近2%的丟包率，而本文采用的基于相對(duì)單向隊(duì)列時(shí)延的擁塞控制算法根據(jù)判斷擁塞級(jí)別，對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況的感知比其他兩種好一些，將丟包率控制在較小的范圍內(nèi)，改善了算法的靈敏性，并且有效地利用了網(wǎng)絡(luò)資源，提高傳輸效率。能有效地解決指揮控制網(wǎng)絡(luò)多對(duì)一傳輸?shù)氖諗刻匦院蛶捹Y源的限制造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞，降低了分組丟失和隊(duì)列時(shí)延，保證了指揮控制網(wǎng)絡(luò)的通信流暢。

4　結(jié)論

針對(duì)指揮控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性及可靠性高的實(shí)際需求，本文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)單向隊(duì)列時(shí)延檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，使發(fā)送端能及時(shí)了解網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況，動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)的發(fā)送速率；根據(jù)UDP可能出現(xiàn)亂序傳輸?shù)膯?wèn)題，提出了基于亂序重構(gòu)管理機(jī)制，保證數(shù)據(jù)的可靠性。仿真實(shí)驗(yàn)表明，ARUDP改善了降低了丟包率，提高了吞吐量等性能，有效地利用了網(wǎng)絡(luò)的帶寬，傳輸效率更高，具有較強(qiáng)的擁塞自適應(yīng)能力，比較適合指揮控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)帶寬資源的需要。

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中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0640（2016）04-0157-04

收稿日期：2015-03-08修回日期：2015-04-13

*基金項(xiàng)目：國(guó)家“863”計(jì)劃基金（2013AAXX）；遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究基金資助項(xiàng)目（L2014495）

作者簡(jiǎn)介：陳波（1972-），男，四川武勝人，教授，博士。研究方向：指揮控制網(wǎng)絡(luò)。

Command and Control Network Data Transmission Protocol Based on ARUDP

CHEN Bo1，TAO Wei1，WANG Yun-ming1，2
（1.School of Information Engineering，Dalian University，Dalian 116622，China；2.School of Automatic，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Abstract：Aiming at the command and control network using UDP protocol has the problem of long delay and high packet loss rate for large data transmission，an improved ARUDP（Augmented Reliable UDP）protocol based on UDP is proposed.The protocol for the exist in transmission process of UDP arrived disordered，an management mechanism of out-of-order reconstruction is put forward and the packet loss rate is reduced，detect the network status based on the network relative state one-way queue delay，and the use of improved A-AIAD control method of adaptive adjustment of the data transmission rate，reducing the queue delay and improve the data transmission efficiency.Simulation results show that the ARUDP protocol's sending rate smoothly while maintaining the UDP high efficiency.It also improves the transmission reliability and real-time，reduces the network packet loss rate and improves the utilization ratio of network resource.

Key words：command and control network，ARUDP，congestion control，out-of-order reconstruction