范華峰 陳楨

常州機電職業(yè)技術學院 江蘇 213164

0 引言

隨著網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡應用迅猛增長，高效安全可靠的傳遞信息被越來越多地關注。目前實現(xiàn) IP 網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ㄖ饕蠺CP傳輸控制協(xié)議和UDP 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議。TCP是面向連接的傳輸協(xié)議，TCP在與對方通信前通過三次握手建立連接，保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸, 但是處理復雜, 效率不高, 占用資源較多。UDP 協(xié)議是面向非連接的傳輸協(xié)議，在進行通信前不必與對方先建立連接，而是直接向接收方發(fā)送數(shù)據(jù)，因此傳輸速度快、效率高并能支持海量并發(fā)連接。正是由于UDP 協(xié)議是無狀態(tài)的, 使得UDP 協(xié)議無需連接管理連接，大大提高了 UDP 協(xié)議的傳輸速度，同時也使得 UDP協(xié)議存在安全性和可靠性差的缺點。本文針對 UDP 協(xié)議安全性和可靠性不足問題進行了深入的研究，用安全確認技術解決了丟包、失序和重包問題，設計出一種基于 UDP 的安全可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，稱為 Security Reliable UDP(SRUDP), 同時也對該對該協(xié)議進行了實現(xiàn)。

1 SRUDP體系結構

RUDP協(xié)議就是在TCP/IP協(xié)議層UDP層與應用層之間加入了安全確認層(Security ACK)，如圖1所示，安全確認層保證了的數(shù)據(jù)的安全可靠的傳輸，從而形成了一個能安全可靠傳輸?shù)奈鍖芋w系結構。

圖1 SRUDP體系結構

2 協(xié)議的原理

SRUDP是一種安全可靠數(shù)據(jù)傳遞協(xié)議，因此保證數(shù)據(jù)安全可靠傳遞的本質就是要使用一種安全確認技術，下面我們將詳細介紹在安全確認層對UDP通訊協(xié)議的改進。

2.1 SA層數(shù)據(jù)報文格式

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，因此設計了SA層數(shù)據(jù)報文如圖2所示。

圖2 SA層數(shù)據(jù)報文格式

其中：StartFlag和EndFlag是報文開頭和結束標記(4字節(jié))，ACK為確認包標志(4字節(jié))，數(shù)據(jù)校驗值是由包序列號與 Payload合并后通過某種算法得到的加密串，這里采用MD5算法(16字節(jié))，消息類型定義了Payload數(shù)據(jù)的編碼格式(4字節(jié))，包序列號由應用層產(chǎn)生要發(fā)送數(shù)據(jù)時序列號自動累加，至表示最大值時置0(4字節(jié))，Payload是應用層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送流程

SRUDP發(fā)送數(shù)據(jù)前無需先建立連接，而是直接將應用層數(shù)據(jù)放入PAYLOAD域中，同時產(chǎn)生包序列號，對要用戶數(shù)據(jù)和包序列號進行 MD5，計算結果放入數(shù)據(jù)校驗值域中，StartFlag和EndFlag為用戶自定義數(shù)據(jù)開始和結尾標識，消息類型為用戶對應用層數(shù)據(jù)編碼說明，默認值為0，ACK域為數(shù)據(jù)確認域，因此發(fā)送數(shù)據(jù)時該域的值為0。數(shù)據(jù)通過UDP包發(fā)送后將SA層數(shù)據(jù)報文放入以MD5值為Key的發(fā)送哈希表中，等待接收端對該報文的確認。若在指定的時間內(nèi)接收到該報文的確認，則刪除發(fā)送哈希表中對應的Key，若未收到確認包，則對發(fā)送哈希表的數(shù)據(jù)進行重復發(fā)送，直至達到指定的次數(shù)為止。數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖3所示，重復發(fā)送流程如圖4所示，確認包接收處理流程如圖5所示。

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)送流程

圖4 重復發(fā)送流程

圖5 確認包處理流程

2.3 數(shù)據(jù)接收流程

數(shù)據(jù)到達接收端后，接收端根據(jù)SA的數(shù)據(jù)報文格式填充各域并對數(shù)據(jù)進行驗證，若 StartFlag和 EndFlag合法且Payload數(shù)據(jù)域加上包序列號進行MD5值計算后與接收到的數(shù)據(jù)校驗值一致，則說明數(shù)據(jù)是正確的，向發(fā)送端發(fā)送確認數(shù)據(jù)包，確認數(shù)據(jù)包格式報文中消息類型、包序列號和Payload域為空，其它域與接收到的數(shù)據(jù)一致。

3 協(xié)議的實現(xiàn)

SRUDP協(xié)議實現(xiàn)采用java6開發(fā)語言，定義了數(shù)據(jù)通信的基礎類：接收和發(fā)送隊列節(jié)點的類型類(BufferNode)、發(fā)送哈希表節(jié)點類(MapNode)、共享數(shù)據(jù)類(ShareData)、接收數(shù)據(jù)回調(diào)接口(IntCallBack)、UDP工具類(UdpUtil)、發(fā)送線程類(SendProc)、接收線程類(ReceiveProc)和重發(fā)線程類(TimingProc)，共享數(shù)據(jù)類是定義和管理和控制收發(fā)隊列和發(fā)送哈希表的控制類，定義如下：

4 結束語

UDP在數(shù)據(jù)通信方面的效率遠遠優(yōu)于TCP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，本文對UDP協(xié)議的不足進行了協(xié)議擴展，引入了SA層，形成了較完善的SRUDP數(shù)據(jù)傳輸模型，很好的解決了UDP在數(shù)據(jù)傳輸安全性和可靠性方面的缺陷。目前，SRUDP 協(xié)議已成功應用在我院上網(wǎng)認證系統(tǒng)中并取得了很好的效果，可以預見安全可靠 UDP協(xié)議將在網(wǎng)絡通信領域有著很大的實用性和推廣價值。

[1]Bova T,Krivoruchka T.Reliable UDP Protocol.draft-ietfsigtranreliable-udp-00.txt.Cisco Systems.1999.

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