網絡傳輸過程中UDP協議實現

朱新星

摘要：隨著計算機網絡的廣泛運用，作為計算機網絡體系結構中的重要協議之一 —— UDP傳輸協議，已經廣泛的運用到計算機網絡的數據傳輸的過程中，而且希望數據可以高效、準確、迅速的完成傳輸。本文研究了運輸層的UDP協議發送來的數據包在網絡層的IP協議條件下對數據進行處理、發送的過程，主要包括建立連接，數據的接收和緩存，IP數據包頭的處理以及數據發送四個步驟，接著設計了以為基礎FPGA的功能實現方案。

關鍵詞：UDP 協議 FPGA

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/ Internet Protocol，TCP/IP）協議簇是Internet 和全球各地網絡互聯的引擎。本文針對網際層IP協議下的一項功能的實現，主要是針對從UDP協議下的數據包處理的過程。UDP是一個簡單的面向數據報的運輸層協議：進程的每個輸出操作都正好產生一個UDP數據報，并組裝成一份待發送的IP數據報。

1數據報處理方案

1.1端口設計

端口應該由外部端口和內部端口組成。外部端口是控制硬件（以FPGA為例），主要包括時鐘輸入信號和復位輸入信號。內部端口為運輸層與網絡層相互聯系為原則設計的，不僅需要數據輸入輸出，也需要這兩個模塊間的相互控制。具體內部端口主要包括數據輸入輸出信號及對應的數據同步信號，兩個準備信號，兩個IP地址輸入信號和輸入同步信號的結束信號。信號描述如下：

時鐘信號（clk）、復位信號（res）、UDP準備信號（udprd）、輸入數據信號（isd）：、輸入數據同步信號（iss）、輸入數據結束信號（ise）、源IP地址（sipa）：、目的IP地址（dipa）、IP準備信號（iprd）、輸出數據信號（osd）、輸出數據同步信號（oss）。

具體端口設置如圖1：

1.2 功能模塊

1.2.1 建立連接模塊

運輸層和網絡層之間有很多協議，不同協議對應不同數據包，如何選擇合適通路選擇特定數據包，這就要求有特定的連接過程完成特定的數據傳輸。

為了建立UDP協議數據和IP數據之間的相互通信，在方案中，選擇增添一個建立連接模塊，目的是完成兩個功能。首先是完成UDP協議下的數據在特定通道內向網絡層的傳輸，其次是產生控制信號，控制下一模塊工作狀態。在此過程中，主要涉及到兩個信號，其一是udprd信號，是建立連接第一步，這個信號旨在反映UDP數據報已經準備好發送；其二是iprd信號，建立連接第二步，本信號是為了給運輸層的UDP協議的反饋信號，如果接到收此信號，UDP數據報就開始發送了。本信號還有一個功能：當網絡層對數據處理時，此信號會自動變低電平，將不會接收UDP數據報，直到在網絡層的數據處理完畢。

1.2.2 數據接收存儲模塊

在此模塊下，可分為數據接收部分和數據的存儲部分。

首先介紹一下數據的接收部分，當大量的數據報準備進入網絡層時，有些數據是沒有意義的，所以要準確有效的接收來自UDP協議下的數據報，需要在這一部分完成此功能。在端口的設置，增加了同步接收信號和終止信號，當同步信號有效，數據為有效數據，當終止信號有效，則一個完整的UDP數據包就發送完成了。

當大量的UDP數據包進入到IP協議下準備處理，而處理速度是遠遠小于接收的速度，會導致數據的滯留，甚至數據會丟失。為了解決該問題，增加了一個數據存儲模塊，把數據存儲下來，彌補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功能：計數功能。在加I P數據頭需要每一包UDP數據包字節的長度信息進行存儲。

1.2.3 IP數據包頭處理及發送模塊

每一份的IP數據包都是有IP數據包頭和對應的UDP數據包組合成的。需要將其對應封裝。

當IP數據包頭處理完成了，緊接任務就是將其發送出去。在發送完IP數據包頭緊跟要發送其對應的UDP數據包，這就是一個完整的IP數據包。如果輸出同步信號有效，這些處理好的數據將發送到數據鏈路層供其使用。

2方案綜述

（1）運輸層和網絡層之間建立連接，保證數據準確無誤差的傳輸到網絡層，產生控制信號，控制數據的接收；產生反饋信號，保證運輸層的UDP數據包適時的傳送過來。（2）讀取UDP數據包并準確的計數，將已讀的數據存入緩存中，產生信號，控制IP頭處理模塊的啟動，然后將必要數據傳遞到IP頭處理模塊。（3）處理數據，將對應的一包UDP數據產生相應的IP數據包頭，形成一個IP數據包。然后將包頭發送，產生輸出的同步信號，之后產生信號讀取緩存中的數據，通過輸出端口將其發送出去。

這就是一個UDP數據包的處理過程，不斷反復以上步驟，UDP數據段就轉變成了IP數據段。

本方案增加了同步數據的輸出信號，這就可以自由的控制輸入輸出數據，不會導致數據的意外丟失。而這些信號還可以支持數據間斷輸入，給運輸層數據傳輸很大的靈活性；還增加了udp和iprd信號，它們完成這兩個層連接，給數據傳輸提供良好的初始條件。

參考文獻

[1]TCP-IP詳解（中文）.pdf.

[2]張帆.《基于FPGA的IP協議處理器》.湖南大學碩士論文.

[3]雷釗等.《基于FPGA的TCP-IP協議的實現》.電腦編程技巧與維護，2009（5）.