网络协议之:基于UDP的高速数据传输协议UDT

  简介
  
  简单就是美。在网络协议的世界中,TCP和UDP是建立在IP协议基础上的两个非常通用的协议。我们现在经常使用的HTTP协议就是建立在TCP协议的基础上的。相当于TCP的稳定性来说,UDP因为其数据传输的不可靠性,所以用在某些特定的场合,如直播、广播消息、视频音频流处理等不太需要校验数据完整性的场合。
  
  UDP相对TCP协议而言,其特点就是简洁,它删除了在TCP协议中为了保证消息准确性的各种限制性特征。简洁带来的好处就是快!今天给大家讲解一下,基于UDP的高速数据传输协议UDT。
  
  UDT协议
  
  UDP因为其简单的特性,所以可以做到很多TCP做不到的事情,比如进行大数据量的快速传输。这里并不是要将TCP和UDP分个好坏高下,毕竟各个协议的适应场景不同,他们之所以流行,就是因为可以在特定的场景发挥出重要的作用。套用中国的一句谚语就是:不管白猫黑猫,能抓到老鼠的,就是好猫。
  
  用好UDP协议,我们就可以快速的传递大量的数据,这个协议就是UDT协议。
  
  话说,像这些基础协议都是老外发明的,而中国的互联网巨头都在抢着做平台、做流量的生意,真的是无话可说….
  
  UDT项目开始于2001年,是由Yunhong Gu在芝加哥伊利诺伊大学国家数据挖掘中心 (NCDM)读博士期间开发的,并在毕业之后持续的进行维护和升级改进。
  
  UDP的出现是因为那时候,传输更快更便宜的光纤网络出现了,代替了之前的铜缆线和双绞线,从而极大的提升了信息传输的效率。这时候大家就发现之前使用TCP协议来进行大数据的传输会有很大的问题。从而基于UDP的UDT协议出现了。
  
  UDT的第一个版本,也称为SABUL(Simple Available Bandwidth Utility Library),UDT通过支持批量数据传输,从而方便在私有网络中进行数据的传输。
  
  要注意的是UDT的第一个版本SABUL使用UDP协议进行传输数据,同时使用单独的TCP协议连接传输控制消息。
  
  UDT的初始版本是在超高速网络(1 Gbit/s、10 Gbit/s等)上进行开发和测试的,2003年10月,NCDM实现了从美国芝加哥到荷兰阿姆斯特丹的平均每秒6.8G比特的传输。在30分钟内的测试中,他们传输了大约1.4TB的数据。
  
  从2004年发布的2.0版本开始,SABUL改名为UDT,UDT的全称是UDP-based Data Transfer Protocol,也就是基于UDP的数据传输协议。
  
  为什么要改成UDT呢?因为在UDT2.0中,删除了SABUL中的TCP 控制连接,并使用UDP来处理数据和控制信息。 另外,UDT2还引入了一种新的拥塞控制算法,允许协议动态调整UDT和TCP流,实现UDT和TCP流的并发运行。
  
  在2006年,UDT协议升级到了3版本,该协议不仅是在私有网络中运行了,而是扩展到了商业互联网中。同时UDT3中的拥塞控制可以进行调整优化,可以在低带宽的环境中运行,并且允许用户轻松定义和安装自己的拥塞控制算法。另外,UDT3还显着减少了系统资源(CPU和内存)的使用。
  
  2007年,UDT4版本在高并发和防火墙穿透方面进行优化和性能的提升。UDT4允许多个UDT连接绑定到同一个UDP端口,它还支持集合连接设置,以便UDP hole punching。
  
  什么是UDP hole punching呢?
  
  UDP hole punching通常被用在网络地址转换 (NAT)中。用来维护穿越NAT的用户UDP数据包流。它是一种使用网络地址转换器在专用网络中的Internet主机之间建立双向UDP连接的方法。
  
  什么是NAT呢?
  
  大家都知道IPV4地址是有限的,很快IPV4地址就快用完了,那怎么解决这个问题呢?
  
  当然,一个永久解决的办法是IPV6,不过IPV6推出这么多年了,好像还没有真正的普及。
  
  不使用IPV6的话还有什么解决办法呢?
  
  这个办法就是NAT(Network Address Translators)。

网络协议之:基于UDP的高速数据传输协议UDT_第1张图片

  NAT的原理是将局域网的IP和端口和NAT设备的IP和端口做个映射。
  
  NAT内部维护着一张转换表。这样就可以通过一个NAT的IP地址和不同的端口来连接众多的局域网服务器。
  
  那么NAT有什么问题呢?
  
  NAT的问题在于,内部客户端不知道自己外网IP地址,只知道内网IP地址。
  
  如果是在UDP协议中,因为UDP是无状态的,所以需要NAT来重写每个UDP分组中的源端口、地址,以及IP分组中的源IP地址。
  
  如果客户端是在应用程序内部将自己的IP地址告诉服务器,并想跟服务器建立连接,那么肯定是建立不了的。因为找不到客户端的公网IP。
  
  即使找到了公网IP,任何到达NAT设备外网IP的分组还必须有一个目标端口,而且NAT转换表中也要有一个条目可以将其转换为内部主机的IP地址和端口号。否则就可能出现下图的连接失败的问题。

网络协议之:基于UDP的高速数据传输协议UDT_第2张图片

  怎么解决呢?
  
  第一种方式是使用STUN服务器。

网络协议之:基于UDP的高速数据传输协议UDT_第3张图片

  STUN服务器是IP地址已知的服务器,客户端要通信之前,先去STUN服务器上面查询一下自己的外网IP和端口,然后再使用这个外网IP和端口进行通信。
  
  但有时UDP包会被防火墙或者其他的应用程序所阻挡。这个时候就可以使用中继器技术Traversal Using Relays around NAT (TURN) 。

网络协议之:基于UDP的高速数据传输协议UDT_第4张图片

  双方都将数据发送到中继器server,由中继器server来负责转发数据。注意,这里已经不是P2P了。
  
  最后,我们有一个集大成者的协议叫做ICE(Interactive Connectivity Establishment ):

网络协议之:基于UDP的高速数据传输协议UDT_第5张图片

  它实际上就是直连,STUN和TURN的综合体,能直连的时候就直连,不能直连就用STUN,不能用STUN就用TURN。
  
  在使用STUN和ICE的过程中,我们会有一台网络主机用来建立端口映射和保持其他UDP端口状态,但是UDP的状态通常在几十秒到几分钟的短时间后过期,为了保证NAT中UDP的状态和生命周期,于是有了UDP hole punching的技术。通过定时传输keep-alive数据包,对NAT中的UDP状态进行更新。
  
  UDT的缺点
  
  因为UDT是基于UDP协议的,但是UDP协议因为其简洁的特性,所以并不具备安全性的特征。所以基于其上的UDT协议因为缺乏安全特性,所以在商业环境中应用会受到一定的限制。
  
  不过UDT的新版本已经在开发中,大家可以期待一下。
  
  总结
  
  UDT被广泛用于高性能计算,比如光纤网络上的高速数据传输。我们后续会在netty中告诉大家怎么使用UDT协议。

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