安全可靠SRUDP协议的设计与实现

范华峰 陈桢

常州机电职业技术学院 江苏 213164

0 引言

随着网络技术的不断发展，网络应用迅猛增长，高效安全可靠的传递信息被越来越多地关注。目前实现 IP 网络进行数据传输的方法主要有TCP传输控制协议和UDP 用户数据报协议。TCP是面向连接的传输协议，TCP在与对方通信前通过三次握手建立连接，保证了数据的可靠传输, 但是处理复杂, 效率不高, 占用资源较多。UDP 协议是面向非连接的传输协议，在进行通信前不必与对方先建立连接，而是直接向接收方发送数据，因此传输速度快、效率高并能支持海量并发连接。正是由于UDP 协议是无状态的, 使得UDP 协议无需连接管理连接，大大提高了 UDP 协议的传输速度，同时也使得 UDP协议存在安全性和可靠性差的缺点。本文针对 UDP 协议安全性和可靠性不足问题进行了深入的研究，用安全确认技术解决了丢包、失序和重包问题，设计出一种基于 UDP 的安全可靠数据传输协议，称为 Security Reliable UDP(SRUDP), 同时也对该对该协议进行了实现。

1 SRUDP体系结构

RUDP协议就是在TCP/IP协议层UDP层与应用层之间加入了安全确认层(Security ACK)，如图1所示，安全确认层保证了的数据的安全可靠的传输，从而形成了一个能安全可靠传输的五层体系结构。

图1 SRUDP体系结构

2 协议的原理

SRUDP是一种安全可靠数据传递协议，因此保证数据安全可靠传递的本质就是要使用一种安全确认技术，下面我们将详细介绍在安全确认层对UDP通讯协议的改进。

2.1 SA层数据报文格式

为了实现数据的安全性和可靠性，因此设计了SA层数据报文如图2所示。

图2 SA层数据报文格式

其中：StartFlag和EndFlag是报文开头和结束标记(4字节)，ACK为确认包标志(4字节)，数据校验值是由包序列号与 Payload合并后通过某种算法得到的加密串，这里采用MD5算法(16字节)，消息类型定义了Payload数据的编码格式(4字节)，包序列号由应用层产生要发送数据时序列号自动累加，至表示最大值时置0(4字节)，Payload是应用层传输的数据。

2.2 数据发送流程

SRUDP发送数据前无需先建立连接，而是直接将应用层数据放入PAYLOAD域中，同时产生包序列号，对要用户数据和包序列号进行 MD5，计算结果放入数据校验值域中，StartFlag和EndFlag为用户自定义数据开始和结尾标识，消息类型为用户对应用层数据编码说明，默认值为0，ACK域为数据确认域，因此发送数据时该域的值为0。数据通过UDP包发送后将SA层数据报文放入以MD5值为Key的发送哈希表中，等待接收端对该报文的确认。若在指定的时间内接收到该报文的确认，则删除发送哈希表中对应的Key，若未收到确认包，则对发送哈希表的数据进行重复发送，直至达到指定的次数为止。数据发送流程如图3所示，重复发送流程如图4所示，确认包接收处理流程如图5所示。

图3 数据发送流程

图4 重复发送流程

图5 确认包处理流程

2.3 数据接收流程

数据到达接收端后，接收端根据SA的数据报文格式填充各域并对数据进行验证，若 StartFlag和 EndFlag合法且Payload数据域加上包序列号进行MD5值计算后与接收到的数据校验值一致，则说明数据是正确的，向发送端发送确认数据包，确认数据包格式报文中消息类型、包序列号和Payload域为空，其它域与接收到的数据一致。

3 协议的实现

SRUDP协议实现采用java6开发语言，定义了数据通信的基础类：接收和发送队列节点的类型类(BufferNode)、发送哈希表节点类(MapNode)、共享数据类(ShareData)、接收数据回调接口(IntCallBack)、UDP工具类(UdpUtil)、发送线程类(SendProc)、接收线程类(ReceiveProc)和重发线程类(TimingProc)，共享数据类是定义和管理和控制收发队列和发送哈希表的控制类，定义如下：

4 结束语

UDP在数据通信方面的效率远远优于TCP数据传输协议，本文对UDP协议的不足进行了协议扩展，引入了SA层，形成了较完善的SRUDP数据传输模型，很好的解决了UDP在数据传输安全性和可靠性方面的缺陷。目前，SRUDP 协议已成功应用在我院上网认证系统中并取得了很好的效果，可以预见安全可靠 UDP协议将在网络通信领域有着很大的实用性和推广价值。

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